一种Ni/(C60(OH)24)复合材料及其制备方法和作为尿素电氧化催化剂的应用

本发明属于新材料，具体涉及一种ni/(c60(oh)24)复合材料及其制备方法和作为尿素电氧化催化剂的应用。

背景技术：

1、尿素是一种无毒的有机化合物，含有碳、氮、氧和氢元素，在农业生产中用作极其重要的氮肥。从生物医学的角度来看，它是尿液中的重要成分；作为人体的代谢产物，它是一种重要的代谢物质。尿素的用量与个体的健康密切相关。尿液中尿素的精确早期检测在医学诊断中发挥着重要作用，因为它可以有效地指示人体的状态。就环境污染而言，大量未经处理的尿素污染废水，包括工业生产、人类和动物尿液，会导致严重的环境问题，因为它会分解成氨和氮基污染物(如no、no2)。尿素作为一种能量载体是不易燃的，易于储存和运输，其能量密度为16.9mj l-1，是氢气的10倍。从能源利用的角度来看，当用于燃料燃烧时，它可以释放大量的能量。因此，尿素的有效检测、处理和消耗对工业生产、富尿素废水的环境处理乃至医疗保健都具有重要意义。传统的尿素处理，包括吸附、水解、生物降解和化学氧化，需要过度的能源完善和高成本的设备依赖性处理，这大大阻碍了这些方法的广泛应用。这些方法对绿色经济的发展不具有成本效益或可持续性。随着先进技术和研究的发展，尿素电解已成为一种强大的方法，它具有工作简单、处理能力大以及产生co2、n2和h2o无毒的优点。

2、除此之外，尿素催化(uor)工艺中的电催化剂可以在碱性溶液中不使用贵金属的情况下轻松实现，这大大降低了成本，增加了催化剂应用的可能性。另一方面，可以使用阳极反应对直接尿素燃料电池(dufc)进行uor，该反应将尿素的化学能直接转化为电。在上述过程中，富含尿素的工业废水甚至人或动物的尿液可以作为电解质添加，以实现废水处理和发电的同时进行。对于电催化剂，铂基和钌基材料仍是目前碱性介质中uor的首选催化剂，但是由于其价格昂贵，无法大规模应用；镍基材料被认为是最好的非贵金属催化剂，在碱性电解质中具有很好的uor应用前景，但是由于目前镍基材料对尿素的催化活性较低，导致其应用受限，远未广泛商业化。

技术实现思路

1、针对目前尿素电氧化催化剂的性能远远不能满足实用化的要求，本发明的目的是提供一种ni/(c60(oh)24)复合材料及其制备方法和作为尿素电氧化催化剂的应用。本发明提供的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法简单，易操控且生产成本低，制得的ni/(c60(oh)24复合材料表现出显著的活性、良好的动力学以及对尿素催化的强耐久性。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将富勒烯溶于有机溶剂中得到富勒烯溶液；将富勒烯溶液、强碱水溶液、相转移催化剂混合在常温下持续剧烈搅拌，得到的混合溶液经分层后，将下层棕色溶液离心过滤以去除不溶性杂质，然后通过透析袋进一步除去残余杂质，冷冻干燥后得到棕色固体粉末富勒醇c60(oh)24；优选的，所述有机溶剂为甲苯；所述强碱水溶液为氢氧化钠水溶液；所述相转移催化剂为四丁基氢氧化铵(tbah)。进一步优选的，搅拌的转速为600～800转/min，搅拌时间为8～12h；透析袋透析的时间为8～12h；

5、将棕色固体粉末富勒醇(c60(oh)24)和镍盐加入水中，搅拌混合均匀后，经冷冻干燥去除水得到ni/(c60(oh)24前驱体粉末；优选的，所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍或nici2·6h2o，添加的量为2mm，以保证镍源的过量，与富勒醇能够充分混合；搅拌的转速为600～800转/min，搅拌的时间为4～6h；冷冻干燥的温度为-40℃，时间为16～24h；

6、将ni/(c60(oh)24前驱体粉末放置在保护性气氛下进行高温煅烧，冷却后即得到ni/(c60(oh)24)复合材料。优选的，所述保护性气氛为氮气或惰性气体；所述高温煅烧的温度为100～500℃，煅烧的时间为2～4h。高温煅烧的目的是除去催化剂中多余的水分和杂质，以达到更好地稳定性。

7、本发明还提供了上述所述的ni/(c60(oh)24)复合材料作为尿素电氧化催化剂在尿素电解中的应用。

8、富勒烯是碳的第三同素异形体，它有一个类似于石墨烯的π共轭碳表面，但呈现出一种独特的零维球形结构，有12个五边形和20个六边形。富勒烯特别是c60具有吸电子特性，保持从金属物种吸引电子的潜力。c60作为电子传输器已被证明可以加快分子间电子转移过程，并为催化建立高活性界面。考虑到这一点，用某些羟基修饰的c60，即富勒烯醇c60(oh)x，它不仅为锚定金属物种提供了丰富的o位点，而且具有c60的优点，是稳定和分散金属以及精确调节金属中心电子结构的有前途的载体。本发明利用富勒烯c60的球形结构为镍提供了空间限制效应，使镍能够均匀分散，并且富勒烯c60的吸电子特性诱导了电荷的重新分布，增强了镍纳米颗粒和富勒烯c60基底之间的相互作用，从而提高了催化过程中的稳定性，制备得到的镍基复合材料(ni/(c60(oh)24)在尿素催化中表现出显著的活性、良好的动力学以及强耐久性。

9、本发明具有以下有益效果：

10、本发明提供的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法简单，成本低，可重复操作，制得的材料中的镍纳米颗粒能够密集且均匀的分散在富勒烯c60基底上，并且具有非常小的过电位(在10macm-2时为1.01v)和tafel斜率(20.58mv dec-1)，显示出对尿素催化的高活性和稳定性，具有很好的应用前景。

技术特征：

1.一种ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为甲苯。

3.根据权利要求1所述的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，其特征在于：所述强碱水溶液为氢氧化钠水溶液。

4.根据权利要求1所述的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，其特征在于：所述相转移催化剂为四丁基氢氧化铵。

5.根据权利要求1所述的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，其特征在于：所述镍盐为硝酸镍、硫酸镍或nici2·6h2o。

6.根据权利要求1所述的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，其特征在于：所述保护性气氛为氮气或惰性气体。

7.根据权利要求1所述的ni/(c60(oh)24)复合材料的制备方法，其特征在于：所述高温煅烧的温度为100～500℃，煅烧的时间为2～4h。

8.一种ni/(c60(oh)24)复合材料，其特征在于：其是采用如权利要求1至7中任一项所述的制备方法制备所得。

9.如权利要求8所述的ni/(c60(oh)24)复合材料作为尿素电氧化催化剂在尿素电解中的应用。

技术总结
本发明公开了一种Ni/(C<subgt;60</subgt;(OH)<subgt;24</subgt;)复合材料及其制备方法和作为尿素电氧化催化剂的应用，该复合材料的制备方法包括以下步骤：在碱性条件下搅拌富勒烯溶液，并加入相转移催化剂，制备得到含有羟基官能团的富勒醇；将富勒醇和镍盐混合均匀后得到Ni/(C<subgt;60</subgt;(OH)<subgt;24</subgt;前驱体粉末；将前驱体粉末放置在保护性气氛下进行高温煅烧即得到目标产物。本发明利用富勒烯C<subgt;60</subgt;的球形结构为镍提供了空间限制效应，使镍均匀分散，并且富勒烯C<subgt;60</subgt;的吸电子特性诱导了电荷的重新分布，增强了镍和富勒烯C<subgt;60</subgt;基底之间的相互作用，从而提高了材料的稳定性，制备得到的复合材料在尿素催化中表现出显著的活性、良好的动力学以及强耐久性。

技术研发人员：汪凌岳,李红波,汤琴
受保护的技术使用者：盐城工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19