CN114318397A - 一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用，钼基电催化剂的制备方法包括：将钼酸铵和聚乙二醇加入水中，搅拌均匀，然后继续加入浓硝酸，搅拌后获得混合溶液；将混合溶液投入反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却，产物经离心、洗涤和干燥，获得钼基电催化剂α‑MoO₃。本发明中钼基电催化剂制备采用的原料易得，成本低，制备工艺操作简单，双功能电解池以制得的钼基电催化剂为工作电极，以氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，应用于制氢和尿素废水降解，提高了制氢效率，同时氧化降解了尿素污染物，绿色环保。

Description

一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用

技术领域

本发明属于制氢技术领域，具体涉及一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用。

背景技术

近年来，全球能源危机和环境污染严重危害着人类的生存。因此，发展清洁和可再生能源是非常有必要的。氢气作为一种清洁能源而被广泛关注，在众多制氢方式中，电催化分解水，被认为是一种广泛应用的制氢方法，但此方法也受到水氧化四电子半反应的限制，反应动力学缓慢，过电位较高，需要施加较高电压，从而具有挑战性。研究表明，通过用更易氧化的分子取代缓慢的水氧化半反应，可以克服这一限制。

现有实用新型专利：尿素电解用于废水处理和煤液化供氢的***（公开号CN208183082U）公开了利用尿素电解获得高纯的氢气，但是所采用的工艺和装置复杂，成本高。现有发明专利申请：一种电解水和电解尿素用阳极催化剂及其制备方法（公开号CN110237860A）公开了用催化剂进行电解水和尿素性能的研究，但是其催化剂的制备需要使用具有污染性的原料，且并未研究电解池池电压是否变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种钼基电催化剂及其制备方法和双功能电解池及其应用，钼基电催化剂制备采用的原料易得，成本低，制备工艺操作简单，双功能电解池以制得的钼基电催化剂为工作电极，以氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，应用于制氢和尿素废水降解，提高了制氢效率，同时氧化降解了尿素污染物，绿色环保。

本发明提供了如下的技术方案：

第一方面，提供一种钼基电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将钼酸铵和聚乙二醇加入水中，搅拌均匀，然后继续加入浓硝酸，搅拌后获得混合溶液；

将混合溶液投入反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却，产物经离心、洗涤和干燥，获得钼基电催化剂α-MoO₃。

进一步的，所述钼酸铵与聚乙二醇的质量比为2.9~3.1：1。

进一步的，所述浓硝酸的质量分数为65~68%。

进一步的，将钼酸铵和聚乙二醇加入水中后搅拌20~40min，加入浓硝酸后搅拌20~40min。

进一步的，水热反应的温度为150~170℃，反应时间为22~26h。

第二方面，提供一种钼基电催化剂，采用第一方面所述的钼基电催化剂的制备方法制备获得。

第三方面，提供一种双功能电解池，采用第二方面所述的钼基电催化剂为工作电极。

第四方面，提供一种第三方面所述的双功能电解池的应用，应用于制氢和尿素废水降解。

进一步的，在所述双功能电解池中加入氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，以铂丝作为另一工作电极。

进一步的，在制氢和尿素废水降解过程中施加1.3～1.6V的电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供的钼基电催化剂的制备方法，采用的原料易得，成本低，绿色环保，制备工艺操作简单；

（2）本发明提供的双功能电解池，以制得的钼基电催化剂为工作电极，以氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，相比传统的电解水***，有效降低了电解池电压，电解高效，提高了制氢效率，同时氧化降解了尿素污染物，适用于制氢和尿素废水降解。

附图说明

图1是实施例1制备的钼基电催化剂α-MoO₃的XRD图；

图2是实施例1制备的钼基电催化剂α-MoO₃的SEM图；

图3是实施例4中α-MoO₃分别在1 M KOH和1 M KOH + 0.5 M urea电解体系中的阳极氧化反应性能图；

图4是实施例4中α-MoO₃分别在1 M KOH和1 M KOH + 0.5 M urea电解体系中的阴极还原反应性能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

室温下，将1.23g的钼酸铵和0.4g的聚乙二醇加入到盛有30mL水的烧杯中，搅拌30min；然后加入5ml浓度为65%-68%的硝酸，搅拌30min后，转移到聚四氟乙烯内衬中，在160℃恒温下水热反应24h；反应完全后，自然冷却至室温，用乙醇和水洗涤、离心、干燥，产物即为钼基电催化剂α-MoO₃。

图1为本实施例制备的α-MoO₃的X射线衍射（XRD）图，由图可见，本实施例所制备的产品与α-MoO₃标准卡（JCPDS: 89-7112）一致，说明所制备的产品为纯相的α-MoO₃电催化剂。

图2为本实施例制备的α-MoO₃的扫描电子显微镜（SEM）图，由图可见，本实施例所制备的α-MoO₃形貌为纳米线，直径为200-300nm，长度为5-10μm。

实施例2

室温下，将1.2g的钼酸铵和0.4g的聚乙二醇加入到盛有30mL水的烧杯中，搅拌30min；然后加入5ml浓度为65%-68%的硝酸，搅拌30min后，转移到聚四氟乙烯内衬中，在160℃恒温下水热反应24h；反应完全后，自然冷却至室温，用乙醇和水洗涤、离心、干燥，产物即为钼基电催化剂α-MoO₃，其XRD图和SEM图与实施例1相同。

实施例3

室温下，将1.20g的钼酸铵和0.387g的聚乙二醇加入到盛有28mL水的烧杯中，搅拌20min；然后加入4.9ml浓度为65%-68%的硝酸，搅拌20min后，转移到聚四氟乙烯内衬中，在170℃恒温下水热反应22小时；反应完全后，自然冷却至室温，用乙醇和水洗涤、离心、干燥，产物即为钼基电催化剂α-MoO₃，其XRD图和SEM图与实施例1相同。

实施例4

将实施例1制得的α-MoO₃和乙炔黑、聚偏氟乙烯以质量比为8:1:1混合，分散在1-甲基-2-吡咯烷酮中，在搅拌下形成均匀的浆液；将浆料涂覆在泡沫镍上，然后在室温下干燥24小时，涂覆面积为1cm×1cm，得到α-MoO₃电极。

将制得的α-MoO₃电极作工作电极，铂丝作对电极，Ag/AgCl为参比电极，构成双功能电解池。在此三电极体系，施加一定的电压，分别在1M KOH和1M KOH（氢氧化钾）＋0.5Murea（尿素）中进行电催化性能测试。

由图3和4可见，尿素的加入大幅降低了电解水的过电位。

如图3所示，对于阳极氧化反应，在KOH电解体系中，水氧化反应需要1.611V的高压才能达到40mA/cm²，而KOH+urea电解体系只要1.365V就能达到40 mA/cm²。

如图4所示，对于阴极还原反应，电解KOH***和KOH+urea***的析氢反应分别需要-0.319V和-0.246V的电压达到40mA/cm²，要达到40 mA/cm²，KOH电解体系的池电压为1.93V，而KOH+urea电解体系的池电压仅为1.611V，池电压降低了16.53%，因为尿素氧化反应代替缓慢的四电子水氧化半反应，进而减少了电解水的能耗，并促进产氢。因此，该双功能电解池设计是节能的，在低压高效电解水制氢的同时，降解了尿素污染物。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钼基电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将钼酸铵和聚乙二醇加入水中，搅拌均匀，然后继续加入浓硝酸，搅拌后获得混合溶液；

将混合溶液投入反应釜中进行水热反应，反应结束后冷却，产物经离心、洗涤和干燥，获得钼基电催化剂α-MoO₃。

2.根据权利要求1所述的钼基电催化剂的制备方法，其特征在于，所述钼酸铵与聚乙二醇的质量比为2.9~3.1：1。

3.根据权利要求1所述的钼基电催化剂的制备方法，其特征在于，所述浓硝酸的质量分数为65~68%。

4.根据权利要求1所述的钼基电催化剂的制备方法，其特征在于，将钼酸铵和聚乙二醇加入水中后搅拌20~40min，加入浓硝酸后搅拌20~40min。

5.根据权利要求1所述的钼基电催化剂的制备方法，其特征在于，水热反应的温度为150~170℃，反应时间为22~26h。

6.一种钼基电催化剂，其特征在于，采用权利要求1~5任一项所述的钼基电催化剂的制备方法制备获得。

7.一种双功能电解池，其特征在于，采用权利要求6所述的钼基电催化剂为工作电极。

8.一种权利要求7所述的双功能电解池的应用，其特征在于，应用于制氢和尿素废水降解。

9.根据权利要求8所述的双功能电解池的应用，其特征在于，在所述双功能电解池中加入氢氧化钾和尿素的混合溶液作为电解液，以铂丝作为对电极。

10.根据权利要求9所述的双功能电解池的应用，其特征在于，在制氢和尿素废水降解过程中施加1.3～1.6V的电压。

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