CN114588890A - 钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备及其在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水分解制氢技术领域，具体涉及钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备及其在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用，本发明将氧化铌与氧化钒混合后加入到氢氧化钠溶液中，经加热后收集沉淀制备得到一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂，该钒掺杂铌酸钠压电催化剂可以应用于催化裂解中间水制备双氧水和氢气，与原始铌酸钠相比，本发明的钒掺杂铌酸钠压电催化产氢和双氧水的效率均得到了大幅度的提升，为利用压电催化剂催化裂解中间水制备双氧水和氢气的方法提供了新的途径和方向。
Description
技术领域
本发明属于水分解制氢技术领域，具体涉及钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备及其在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用。
背景技术
利用催化剂将水转化为氢和氧是一种高效、低成本的水分解制氢技术，对于解决当今的能源短缺和环境污染问题至关重要。但是目前的水分解制氢方法仍存在一定缺的陷，一是四电子反应途径的析氧反应动力学缓慢，导致水分解效率较低。二是生成的氢氧混合气分离较困难，而共存的氢氧混合气不仅具有一定的危险性，而且易发生逆反应降低水分解的转化效率。为解决上述问题，通常是通过添加牺牲剂的方式来抑制氧气的生成，从而提升催化效率，并达到氢氧分离的目的。但牺牲剂的添加不仅会使其成本增加，而且可能会引起二次污染。
后来，随着研究的深入，两电子反应途径的中间水分解制备H2和高值H2O2被认为是解决上述问题的一种有效方法。因为与传统的水分解方法相比，中间水分解具有三大优势：一是相对于传统的四电子反应水分解途径，两电子反应的中间水分解在动力学上更可行；二是其中的空穴被用于生成双氧水而不是氧气，从而可以有效抑制氢氧逆反应的发生，提升水分解的转换效率。三是生成的双氧水具有更高的利用价值。然而，目前关于中间水分解产氢气和双氧水的研究大多集中在光、电催化领域，而利用压电催化剂催化裂解中间水制备双氧水和氢气的方法鲜有报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，制备所得的钒掺杂铌酸钠压电催化剂可以应用于催化裂解中间水制备双氧水和氢气。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
本发明提供了一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，即将氧化铌与氧化钒通过物理研磨混合均匀后加入到氢氧化钠溶液中，然后置于160℃-200℃下加热16-20h，反应后收集沉淀即得钒掺杂铌酸钠压电催化剂。
优选地，所述氧化铌与氧化钒的质量比为1：(0.01-0.1)。进一步地，所述氧化铌与氧化钒的质量比为1：0.01。
优选地，所述氢氧化钠溶液的浓度为10M。
优选地，所述氧化钒与氢氧化钠溶液的料液比为(0.01-0.1)g/40mL。进一步地，所述氧化钒与氢氧化钠溶液的料液比为0.01g/40mL。
优选地，加热的温度为180℃，时间为18h。
优选地，反应后还需对沉淀进行洗涤和干燥处理。
本发明还提供了采用上述的制备方法制备得到的钒掺杂铌酸钠压电催化剂。
本发明还提供了上述的钒掺杂铌酸钠压电催化剂在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用。
本发明还提供了一种催化裂解中间水制备双氧水和氢气的方法，即将上述的钒掺杂铌酸钠压电催化剂投入到水中，抽真空后在超声处理作用下催化水产生双氧水和氢气。
优选地，所述钒掺杂铌酸钠压电催化剂与水的料液比为(10-30)mg/50mL。进一步地，所述钒掺杂铌酸钠压电催化剂与水的料液比为10mg/50mL。
优选地，超声处理的功率为200W，频率为68kHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，将氧化铌与氧化钒混合后加入到氢氧化钠溶液中，经加热后收集沉淀即得，所制备得到的钒掺杂铌酸钠压电催化剂可以应用于催化裂解中间水制备双氧水和氢气，与原始铌酸钠相比，本发明的钒掺杂铌酸钠压电催化产氢和双氧水的效率均得到了大幅度的提升，为利用压电催化剂催化裂解中间水制备双氧水和氢气的方法提供了新的途径和方向。
附图说明
图1为利用V-NaNbO3压电催化中间水分解的方法流程图；
图2为NaNbO3(A)和V-NaNbO3(B)的SEM对比图；
图3为NaNbO3和V-NaNbO3的XRD对比图；
图4为NaNbO3和V-NaNbO3的XPS对比图；
图5为压电催化的装置图；
图6为NaNbO3和V-NaNbO3的压电产氢性能对比图；
图7为NaNbO3(A)和V-NaNbO3(B)的压电产双氧水性能对比图(A、B中的各曲线从下到上分别对应0min、30min、60min、90min、120min、150min)。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
实施例1钒掺杂铌酸钠的制备及在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用
根据图1的工艺流程图，本实施例包括以下步骤：
(1)水热法制备钒掺杂铌酸钠(V-NaMbO3)：分别取1g氧化铌与0.01g氧化钒用研钵研磨混合均匀，然后将混合物加入到浓度为10M的40mL氢氧化钠溶液中，快速搅拌(600r/min) 1h后将混匀的混合液转入到高压反应釜内，然后180℃加热18h，待反应结束后将高压反应釜冷却到室温，除去上清液得到淡黄色沉淀，将沉淀用去离子水反复清洗3-5遍，随后将得到的沉淀置于60℃真空烘箱中干燥，最终得到淡黄色粉末，即V-NaMbO3。
(2)以铌酸钠(NaNbO3)为对照，NaNbO3的制备方法为：取1g氧化铌在室温搅拌的条件下加入到浓度为10M的40mL氢氧化钠溶液中，快速搅拌1h后将混合液转入到高压反应釜内，然后180℃加热反应18h，待反应结束后将高压反应釜冷却到室温，除去上清液得到白色沉淀，将沉淀用去离子水反复清洗3-5遍，随后将得到的沉淀置于60℃真空烘箱中干燥，最终得到白色粉末，即NaNbO3。
分别对NaNbO3和V-NaMbO3进行XRD、SEM及XPS测试，如图2-4所示，钒掺杂后，钒掺杂铌酸钠晶体的结构及形貌没有发生改变，但尺寸变小了。
(3)以钒掺杂锯酸钠做催化剂，利用超声波提供机械力进行压电催化中间水分解制备氢气和双氧水：分别称取10mgV-NaMbO3粉末和NaNbO3粉末分散在装有50mL去离子水的样品瓶中，然后将装有混合液的容器密封，并通氩气排除瓶中空气，然后放置于功率为200W，频率为68kHz的超声波发生器中进行超声处理。压电催化装置如图5所示。
(3)利用密闭型取样针取0.4mL样品瓶中的气体通过气相色谱进行氢气含量的测试。并用移液枪量取1mL样品瓶中的催化溶液转移至10mL容量瓶中，随后分别加入3mL磷酸盐缓冲液，50μLN-二乙基对苯二胺(DPD)溶液(10mg/mL)和50μL过氧化物酶(POD)溶液(1mg/mL)，最后加入去离子水定容至10mL，将定容的混合液用紫外分光光度计进行双氧水含量检测。
如图6的产氢性能测试结果以及图7的产双氧水性能测试结果可知，钒掺杂后，钒掺杂铌酸钠晶体的压电产氢及产双氧水性能均得到了较大的提升，分别是原始铌酸钠压电催化产氢和双氧水的4.6和2.2倍。
实施例2钒掺杂铌酸钠的制备及在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用
根据图1的工艺流程图，本实施例包括以下步骤：
(1)水热法制备钒掺杂铌酸钠(V-NaMbO3)：取1g氧化铌与0.05g氧化钒混合研磨，然后在室温搅拌的条件下将研磨过的混合物加入到浓度为10M的40mL氢氧化钠溶液中，快速搅拌 1h后将混匀的混合液转入到高压反应釜内，然后180℃加热18h，待反应结束后将高压反应釜冷却到室温，除去上清液得到淡黄色沉淀，将沉淀用去离子水反复清洗3-5遍，随后将得到的沉淀置于60℃真空烘箱中干燥，最终得到淡黄色粉末，即V-NaMbO3。
(2)以铌酸钠(NaNbO3)为对照，NaNbO3的制备方法同实施例1。
同样的，钒掺杂铌酸钠晶体的结构及形貌没有发生改变，但尺寸变小了。
(3)以钒掺杂锯酸钠做催化剂，利用超声波提供机械力进行压电催化中间水分解制备氢气和双氧水：分别称取20mgV-NaMbO3粉末和NaNbO3粉末分散在装有50mL去离子水的样品瓶中，然后将装有混合液的容器密封，并通氩气排除瓶中空气，然后放置于功率为200W，频率为68kHz的超声波发生器中进行超声处理。最后，按实施例1的方法进行氢气含量及双氧水含量测定。
同样的，钒掺杂后，钒掺杂铌酸钠晶体的压电产氢及产双氧水性能均得到了较大的提升。
实施例3钒掺杂铌酸钠的制备及在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用
根据图1的工艺流程图，本实施例包括以下步骤：
(1)水热法制备钒掺杂铌酸钠(V-NaMbO3)：取1g氧化铌与0.1g氧化钒混合研磨，然后在室温搅拌的条件下将研磨过的混合物加入到浓度为10M的40mL氢氧化钠溶液中，快速搅拌1h 后将混匀的混合液转入到高压反应釜内，然后180℃加热18h，待反应结束后将高压反应釜冷却到室温，除去上清液得到淡黄色沉淀，将沉淀用去离子水反复清洗3-5遍，随后将得到的沉淀置于60℃真空烘箱中干燥，最终得到淡黄色粉末，即V-NaMbO3。
(2)以铌酸钠(NaNbO3)为对照，NaNbO3的制备方法同实施例1。
同样的，钒掺杂铌酸钠晶体的结构及形貌没有发生改变，但尺寸变小了。
(3)以钒掺杂锯酸钠做催化剂，利用超声波提供机械力进行压电催化中间水分解制备氢气和双氧水：分别称取30mgV-NaMbO3粉末和NaNbO3粉末分散在装有50mL去离子水的样品瓶中，然后将装有混合液的容器密封，并通氩气排除瓶中空气，然后放置于功率为200W，频率为68kHz的超声波发生器中进行超声处理。最后，按实施例1的方法进行氢气含量及双氧水含量测定。
同样的，钒掺杂后，钒掺杂铌酸钠晶体的压电产氢及产双氧水性能均得到了较大的提升。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，其特征在于，将氧化铌与氧化钒通过物理研磨混合均匀后加入到氢氧化钠溶液中，然后置于160℃-200℃下加热16-20h，反应后收集沉淀即得钒掺杂铌酸钠压电催化剂。
2.根据权利要求1所述的一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，其特征在于，所述氧化铌与氧化钒的质量比为1：(0.01-0.1)。
3.根据权利要求1所述的一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，其特征在于，所述氧化钒与氢氧化钠溶液的料液比为(0.01-0.1)g/40mL。
4.根据权利要求1所述的一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，其特征在于，所述氢氧化钠溶液的浓度为10M。
5.根据权利要求1所述的一种钒掺杂铌酸钠压电催化剂的制备方法，其特征在于，加热的温度为180℃，时间为18h。
6.采用权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到的钒掺杂铌酸钠压电催化剂。
7.权利要求6所述的钒掺杂铌酸钠压电催化剂在催化裂解中间水制备双氧水和氢气中的应用。
8.一种催化裂解中间水制备双氧水和氢气的方法，其特征在于，将权利要求6所述的钒掺杂铌酸钠压电催化剂投入到水中，抽真空后在超声处理作用下催化水产生双氧水和氢气。
9.根据权利要求8所述的一种催化裂解中间水制备双氧水和氢气的方法，其特征在于，所述钒掺杂铌酸钠压电催化剂与水的料液比为(10-30)mg/50mL。
10.根据权利要求8所述的一种催化裂解中间水制备双氧水和氢气的方法，其特征在于，超声处理的功率为200W，频率为68kHz。
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