红土镍矿衍生钪掺杂镍钴铁氢氧化物、其制备方法及应用

本发明属于红土镍矿综合利用，特别涉及红土镍矿衍生钪掺杂镍钴铁氢氧化物、其制备方法及应用。

背景技术：

1、我国镍钴钪资源相对匮乏，对外依存度高达80％，红土镍矿海外资源高效开发是国家重点战略。但现有的红土镍矿湿法冶炼工艺存在着工艺流程长、镍钴收率低、酸耗/能耗高、伴生的稀土元素未有效回收、废渣排放量大、含铁尾矿直接排放造成严重的资源浪费与环境污染、过程结垢对生产作业率影响大、高压酸浸设备操作条件严苛等问题，亟需深入开展红土镍矿资源高效清洁提取及综合利用关键技术研究，为保证镍钴钪战略金属安全提供科学支撑。

2、钪在红土镍矿中的赋存品位低且分散(30～40ppm)，高压酸浸液中的钪浓度仅为5～15mg/l，铁、铝、硅、钙、镁、锰、镍、钴等均对钪分离与提取有干扰，而且，其含量、浓度是钪的上百至上万倍，使得红土镍矿中的钪在冶炼流程中无法得到有效回收，大部分进入氢氧化镍钴中间产品，浪费钪资源的同时降低了产品质量。而目前，鲜有对红土镍矿中钪的成熟高效富集与回收技术研究报道。

3、因此，如何将红土镍矿中的镍、铁、钴、钪直接转化为钪掺杂镍钴铁氢氧化物，并将其用作电催化剂以制备可再生的生物质资源2，5-呋喃二甲酸(fdca)，实现钪的高效回收利用，且有效避免传统红土镍矿资源利用的复杂净化过程，是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是现有技术中鲜有对红土镍矿中钪的成熟高效富集与回收技术研究报道，钪无法得到有效回收，造成钪资源的浪费，且传统红土镍矿资源利用的净化过程复杂等技术问题。

2、为了解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种钪掺杂镍铁钴氢氧化物制备2，5-呋喃二甲酸的方法，所述方法包括：对泡沫镍材料进行预处理得到泡沫镍初始材料；将红土镍矿置于去离子水中形成溶液a，向所述溶液a中加入浓硫酸调节ph并搅拌进行反应，反应完成后进行固液分离，得到溶液b；向所述溶液b中加入尿素，搅拌后得到混合溶液，将所述泡沫镍初始材料置于所述混合溶液中，然后将所述混合溶液放入聚四氟乙烯高压反应釜中后，将所述聚四氟乙烯高压反应釜置于烘箱中进行反应，反应结束后取出所述聚四氟乙烯高压反应釜并冷却至室温，得到复合材料；用去离子水和乙醇清洗所述复合材料，将清洗后的所述复合材料置于真空干烘箱中干燥，得到钪掺杂镍铁钴氢氧化物；将5-羟甲基糠醛溶于碱性溶液中得到溶液c，向h型电解池中放入所述溶液c、参比电极、对电极和所述钪掺杂镍铁钴氢氧化物，然后将所述溶液c进行电催化转化后，得到2，5-呋喃二甲酸。

3、在第一方面中，所述对泡沫镍材料进行预处理得到泡沫镍初始材料包括：将厚度为0.5mm的所述泡沫镍材料剪裁成尺寸为1cm×1cm×0.5mm的泡沫镍片,将所述泡沫镍片依次经过盐酸超声处理15min、丙酮超声处理15min、乙醇超声处理15min和超纯水超声处理15min后，得到所述泡沫镍初始材料，所述盐酸的浓度为3mol/l。

4、在第一方面中，所述将红土镍矿置于去离子水中形成溶液a，向所述溶液a中加入浓硫酸调节ph并搅拌进行反应中：所述红土镍矿的质量为200mg～600mg，所述去离子水的体积为30ml～80ml，所述ph的值为1.2～3.5，所述搅拌的时间为5h～12h；所述将所述聚四氟乙烯高压反应釜置于烘箱中进行反应中，反应温度为120℃～200℃，反应时间为6h～24h，所述聚四氟乙烯高压反应釜的容量为100ml；所述将清洗后的所述复合材料置于真空干烘箱中干燥中，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。

5、在第一方面中，所述向所述溶液b中加入尿素，搅拌后得到混合溶液包括：检测所述溶液b的ph值；依据所述ph值和尿素水解方程向所述溶液b中加入第一摩尔质量的尿素以调节所述溶液b的ph至中性；向中性的所述溶液b中继续加入第二摩尔质量的尿素搅拌10min～60min，得到所述混合溶液，所述第二摩尔质量与所述红土镍矿中镍金属的摩尔质量之比为2:1～5:1。

6、在第一方面中，所述5-羟甲基糠醛的浓度为10mmol/l～100mmol/l，所述碱性溶液为1mol/l～3mol/l的koh溶液，所述参比电极为hg/hgo，所述对电极为碳棒，所述电催化转化的电位为1.4v～1.6v(vs.rhe)。

7、第二方面，本发明提供了一种红土镍矿衍生钪掺杂镍钴铁氢氧化物的制备方法，所述制备方法包括：对泡沫镍材料进行预处理得到泡沫镍初始材料；将红土镍矿置于去离子水中形成溶液a，向所述溶液a中加入浓硫酸调节ph并搅拌进行反应，反应完成后进行固液分离，得到溶液b；向所述溶液b中加入尿素，搅拌后得到混合溶液，将所述泡沫镍初始材料置于所述混合溶液中，然后将所述混合溶液放入聚四氟乙烯高压反应釜中后，将所述聚四氟乙烯高压反应釜置于烘箱中进行反应，反应结束后取出所述聚四氟乙烯高压反应釜并冷却至室温，得到复合材料；用去离子水和乙醇清洗所述复合材料，将清洗后的所述复合材料置于真空干烘箱中干燥，得到钪掺杂镍铁钴氢氧化物。

8、在第二方面中，所述对泡沫镍材料进行预处理得到泡沫镍初始材料包括：将厚度为0.5mm的所述泡沫镍材料剪裁成尺寸为1cm×1cm×0.5mm的泡沫镍片,将所述泡沫镍片依次经过盐酸超声处理15min、丙酮超声处理15min、乙醇超声处理15min和超纯水超声处理15min后，得到所述泡沫镍初始材料，所述盐酸的浓度为3mol/l。

9、在第二方面中，所述将红土镍矿置于去离子水中形成溶液a，向所述溶液a中加入浓硫酸调节ph并搅拌进行反应中：所述红土镍矿的质量为200mg～600mg，所述去离子水的体积为30ml～80ml，所述ph的值为1.2～3.5，所述搅拌的时间为5h～12h；所述将所述聚四氟乙烯高压反应釜置于烘箱中进行反应中，反应温度为120℃～200℃，反应时间为6h～24h，所述聚四氟乙烯高压反应釜的容量为100ml；所述将清洗后的所述复合材料置于真空干烘箱中干燥中，干燥温度为60℃，干燥时间为12h。

10、在第二方面中，所述向所述溶液b中加入尿素，搅拌后得到混合溶液包括：检测所述溶液b的ph值；依据所述ph值和尿素水解方程向所述溶液b中加入第一摩尔质量的尿素以调节所述溶液b的ph至中性；向中性的所述溶液b中继续加入第二摩尔质量的尿素搅拌10min～60min，得到所述混合溶液，所述第二摩尔质量与所述红土镍矿中镍金属的摩尔质量之比为2:1～5:1。

11、第三方面，本发明提供了一种红土镍矿衍生钪掺杂镍钴铁氢氧化物，其特征在于，由所述的制备方法制备获得，所述钪掺杂镍钴铁氢氧化物具有以下用途：作为电催化剂用于制备2，5-呋喃二甲酸。

12、有益效果：本发明提出了一种钪掺杂镍铁钴氢氧化物制备2，5-呋喃二甲酸的方法，先将红土镍矿置于去离子水中形成溶液a，加入浓硫酸调节ph并搅拌进行酸浸反应，固液分离后得到溶液b，使得红土镍矿中的铁、镍、钴和钪等转化成离子态进入到溶液b中，红土镍矿中的钙等杂质形成硫酸钙等沉淀分离出来；向溶液b中加入尿素，搅拌后得到混合溶液，以通过尿素中和溶液b中过量的h+，并创造碱性条件以在泡沫镍上原位生长氢氧化物；将泡沫镍材料进行预处理后得到的泡沫镍初始材料置于混合溶液中，然后放入聚四氟乙烯高压反应釜中并置于烘箱中进行反应，冷却得到复合材料，通过将泡沫镍初始材料作为多孔电催化剂载体，通过水热法合成钪掺杂镍铁钴氢氧化物；将5-羟甲基糠醛溶于碱性溶液中得到溶液c，向h型电解池中放入溶液c、参比电极、对电极和钪掺杂镍铁钴氢氧化物，然后将溶液c进行电催化转化后，得到2，5-呋喃二甲酸，通过将制备的钪掺杂镍铁钴氢氧化物作为电催化剂用作工作电极，使用三电极体系，由施加到阳极的电位驱动，在温和条件下实现电催化氧化5-羟甲基糠醛定向转化为可再生、环境友好、应用前景广泛的2,5-呋喃二甲酸，具有绿色、无污染、成本低等优势。本发明以红土镍矿为原料，通过调控浸出流程，将红土镍矿通过简单、快速的技术手段直接转化为过渡金属催化剂钪掺杂镍钴铁氢氧化物，该催化剂具有优异的电催化性能，且制备过程中避免了传统矿物相一系列复杂的提取和分离过程，制备出的催化剂可用于电催化实际应用中，有效地降低了成本。同时，电催化氧化反应过程条件温和，绿色无污染，操作简单，产物的选择性较好，法拉第效率较高，为红土镍矿的环境友好资源化处理提供了新的策略和思路。