一种Janus漂浮NiFe2O4@CdS@PANI/Ti一体化电极的制备方法及其在H2O2生产中的应用

本发明属于高附加值化学品、催化剂生产，具体涉及一种janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极的制备方法及其在h2o2生产中的应用。

背景技术：

1、相比于煤炭和石油，过氧化氢(h2o2)是一种绿色的发电燃料，它具有安全储存、高能量密度、清洁排放以及可以通过燃料电池转化为电能等优点。光电催化(pec)体系具有在外加偏压下使得光激发电子/空穴分离效率更高的特点被认为是非常有前途的h2o2绿色生产方法之一。

2、对于pec氧还原(orr)为h2o2的反应，催化剂的性能和o2传质速度是影响2e-orr的关键因素。一方面，可以通过异质结的构建来改善半导体催化剂的载流子分离。与传统的ⅱ型异质结催化剂相比，z型异质结催化剂在光激发下表现出较好的光催化氧化还原能力。然而，二元复合光催化剂仍然存在电荷分离效率较低的问题。另一方面，气体扩散电极(gde)通过疏水化处理可以有效的吸附气态氧从而形成固-液-气界面改善o2传质。然而，传统的gde装置需要使用外部装置进行空气/氧气曝气，这增加了曝气的能耗，同时也导致了传统电极的物理侵蚀。因此，开发经济高效的多元异质结催化材料以及设计无需曝气操作的具有自发o2收集功能的光电极，是实现光电催化生产h2o2技术的关键。

3、与单一z型异质结相比，双z型异质结催化剂具有增强的光电催化性能和稳定性。这主要归因于双z型异质结构涉及多步电子传输，多组分之间的协同作用确保载流子的有效分离和运输，从而提高了其氧化和还原性能。因此，通过双z型催化剂设计可以定制适当的能带位置增加光吸收，实现高效的电荷-载流子分离，并延长光生载流子的寿命。此外，janus漂浮电极的设计使疏水侧暴露于空气中，亲水侧与电解质溶液接触，能够形成丰富的三相界面(气态o2、液态电解质和固体阴极)，可以收集利用环境中的o2同时保证离子/电子传递。通过双z型异质结催化剂的构建以及janus漂浮电极设计，能够极大的提升orr h2o2生产的效率。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极及其制备方法。

2、本发明的目的之二是提供一种利用janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极催化合成h2o2。

3、本发明采用的技术方案为：

4、一种janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极的制备方法，包括如下步骤：

5、1)将ti网浸泡在含有fecl3·6h2o、ni(no3)2·6h2o和对苯二甲酸的dmf溶液中，搅拌10min后，逐滴加入naoh溶液，将上述溶液转移至高压釜中进行水热反应，将水热后的ti网进行煅烧，得到nife2o4/ti一体化电极；

6、2)将步骤1)制得的nife2o4/ti一体化电极与cdcl2·2.5h2o和硫脲的混合溶液转移至高压反应釜中进行水热反应，得到nife2o4@cds/ti一体化电极；

7、3)将步骤2)制得的nife2o4@cds/ti一体化电极浸泡在含有苯胺的硫酸溶液中，进行恒电位沉积反应，反应后用去离子水反复洗涤，干燥，得到nife2o4@cds@pani/ti一体化电极；

8、4)将步骤3)制得的nife2o4@cds/ti一体化电极用质量浓度为6％的ptfe进行单侧喷涂，得到janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极。

9、进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，将ti网浸泡在含有0.8g fecl3·6h2o、0.43gni(no3)2·6h2o和0.73g对苯二甲酸的44ml dmf溶液中。

10、进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述naoh溶液的浓度为0.4mol/l。

11、进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述水热反应的条件是，于120℃下水热反应24h。

12、进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述煅烧的条件是，以1℃/min-1速率升温至450℃，保温4h。

13、进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，按摩尔浓度比，cdcl2·2.5h2o：硫脲为1:2。

14、进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述水热反应的条件是，于180℃下水热反应6h。

15、进一步的，上述的制备方法，步骤3)中，所述恒电位沉积反应的条件是，以铂片为对电极，ag/agcl电极为参比电极，nife2o4@cds/ti为工作电极，在0.7v vs ag/agcl恒电位沉积1200s，电沉积面积是20×20mm2。

16、上述任意一项所述的制备方法制备的janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极在光电催化制备h2o2中的应用。

17、进一步的，上述的应用，方法包括如下步骤：

18、1)以janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极为工作电极，铂片为对电极，ag/agcl为参比电极，其中janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极疏水侧朝上漂浮于电解池中，其他电极浸入电解液中，构成三电极体系；

19、2)在-0.4v vs ag/agcl偏压、环境温度25℃的条件下，采用300w氙灯照射模拟太阳光照射，氙灯λ≥420nm，将三电极体系插入至含有20ml ph为3的0.1mol/l na2so4溶液的反应器中，在光电驱动下催化合成h2o2。

20、本发明的有益效果是：

21、1、本发明构建了一种双z型异质结光电催化剂，显示出了良好的光捕获和有效的电荷载流子分离能力，并延长光激发电荷载流子的使用寿命，从而产生了优异的orr性能。

22、2、本发明设计了一种janus漂浮光电极，因为它具有不对称的润湿性，能够在电极中形成固-液-气三相边界，从环境空气中提供足够的o2同时保证有效的离子/电子传输。与gde相比，疏水性气体扩散层的o2收集功能避免了泵送系统或曝气系统的使用，使这种方法更加节能且具有成本效益。在可见光照射以及特定附加偏压作用下，该电极的产量可以达到264.52mg·l-1·h-1，最大法拉第效率为91％。

23、3、本发明具有简便、高效、成本低的特点，所制备的janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化光电极具有优异的光电催化性能和稳定性，其janus结构设计使其具有强大的氧气收集能力，降低成本的同时进一步提升光电催化h2o2生产的效率，有助于推动光电催化技术在生产清洁能源领域的应用。

技术特征：

1.一种janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，将ti网浸泡在含有0.8gfecl3·6h2o、0.43g ni(no3)2·6h2o和0.73g对苯二甲酸的44ml dmf溶液中。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述naoh溶液的浓度为0.4mol/l。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述水热反应的条件是，于120℃下水热反应24h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述煅烧的条件是，以1℃/min-1速率升温至450℃，保温4h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，按摩尔浓度比，cdcl2·2.5h2o：硫脲为1:2。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述水热反应的条件是，于180℃下水热反应6h。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述恒电位沉积反应的条件是，以铂片为对电极，ag/agcl电极为参比电极，nife2o4@cds/ti为工作电极，在0.7vvsag/agcl恒电位沉积1200s，电沉积面积是20×20mm2。

9.权利要求1-8中任意一项所述的制备方法制备的janus漂浮nife2o4@cds@pani/ti一体化电极在光电催化制备h2o2中的应用。

10.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，方法包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种Janus漂浮NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@CdS@PANI/Ti一体化电极的制备方法及其在H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;生产中的应用，属于高附加值化学品、催化剂技术领域。制备方法如下：通过先水热后煅烧的方法在Ti网上生长NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;，再经二次水热法进一步生长CdS得到NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@CdS/Ti一体化电极，通过电化学沉积的方法在NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@CdS/Ti电极表面生长聚苯胺(PANI)，再经PTFE单侧疏水化处理得到Janus漂浮NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@CdS@PANI/Ti一体化电极。本发明制备的Janus漂浮NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;@CdS@PANI/Ti一体化电极，在无需外部供氧的情况下高效快速收集环境中O<subgt;2</subgt;用于还原生产H<subgt;2</subgt;O<subgt;2</subgt;，有助于推动光电催化技术在生产清洁能源领域的应用。

技术研发人员：张蕾,孙燕
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/31