FeOOH-TiO2@2-MeIm/PPy/GO纳米材料及其在电催化氮氧化中的应用

本发明属于新能源及电化学催化领域，具体涉及feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料及其在电催化氮氧化中的应用。

背景技术：

1、随着电化学研究与能源、环境、催化等领域深度融合，越来越多新型的电化学催化反应进入了大家的研究视野中。相比于传统的热化学过程，电化学反应可在室温、常压下进行，且不受卡诺循环限制。碳、氢、氧、氮为构成地球生物圈最重要的几种核心元素，近年来，随着氢燃料电池行业的兴起，基于氢、氧的电化学过程如氧还原反应(orr)，氧析出反应(oer)，氢析出反应(her)，氢氧化反应(hor)研究取得了重大进展，对于二氧化碳电还原反应(co2rr)的研究也在稳步进行，然而，对于固氮与氮转化相关的电化学过程的研究尚处于起步阶段。

2、从电化学角度看，氮气的直接电还原和电氧化理论上都可以在较温和条件下实现。理论上，氮气经氮还原反应(nrr)转化为氨相比于电解水析氢具有更高的起始电位，因此存在一个狭小的电位区间，在此区域内只发生nrr，而不发生her。相比之下，通过电化学反应生成肼则较为困难，反应电位更负，但反过来说肼的电氧化反应(hzor)则相比于hor更加容易，从而可提供比氢燃料电池更高的电压和功率。由于氨和肼在水溶液中均存在质子化电离平衡，其对应的反应电势也受到ph变化影响，简单来讲，较强酸性条件(低ph)有利于氮气的还原反应，而高ph条件则有利于其氧化。对于氮氧化来说，ph>1.3时氮气经10电子过程电氧化为硝酸根的过程相比于4电子oer过程电位更低，理论上更容易发生，但目前仍缺少合适的电催化剂。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种价格低廉，催化性能高的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料。

2、本发明的目的之二是提供一种用feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料制备nor电催化修饰电极用于电催化氮氧化。

3、本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，制备方法包括如下步骤：于去离子水中加入2-meim/ppy/go纳米片，超声分散，然后加入fecl2·4h2o、k2tif6和尿素，搅拌后进行水热反应，所得产物洗涤，离心，真空干燥，得feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料。

4、上述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，2-meim/ppy/go纳米片的制备方法如下：于n,n-二甲基甲酰胺中加入ppy/go纳米片、2-氯甲基咪唑啉盐酸盐，超声分散，再加入koh，超声分散后，进行回流搅拌反应，离心，洗涤，真空干燥，得2-meim/ppy/go纳米片。

5、上述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，所述的回流搅拌反应是在60℃油浴中，回流搅拌反应24h。

6、上述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，所述的ppy/go纳米片的制备方法如下：在超声辐射的条件下，将吡咯py原位化学聚合于go纳米片上。

7、上述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，步骤3)中，按摩尔比，fecl2·4h2o:k2tif6:尿素＝1:4:10。

8、上述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，步骤3)中，所述水热反应为：将所得反应体系置于聚四氟乙烯内胆的特氟龙反应釜中于200℃水热反应24h。

9、一种基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极，是以碳布为基底，将上述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料附着在碳布上制成的feooh-tio2@2-meim/ppy/go修饰电极。

10、上述的一种基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极的制备方法，包括如下步骤：

11、1)将上述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，超声分散于无水乙醇和nafion的混合溶液中，得分散均匀的复合修饰剂；

12、2)将分散均匀的复合修饰剂滴涂于干净的碳布表面，室温下晾干，得feooh-tio2@2-meim/ppy/go修饰电极。

13、上述的一种基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极的制备方法，按体积比，无水乙醇:nafion溶液＝92:8。

14、上述的基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极在电催化氮氧化中的应用。

15、上述的应用，方法如下：将上述的基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极作为工作电极，ag/agcl电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，组成三电极系统，在0.1m氢氧化钾溶液中实现对氮气的电催化氧化。

16、本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

17、1、本发明制备的基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极，由于feooh、tio2的存在，使得n2能够在纳米片表面的羟基氧化铁、二氧化钛的参与下氧化产生no3-，实现了常温常压下的氮气氧化，减少能源消耗和环境污染。

18、2、本发明制备的基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极，表现出了较强的电化学性能、较好的稳定性、较好的线性等优点。

19、3、本发明制备的基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极，使得电催化氮氧化合成硝酸根得以实现，为实际应用电催化固氮提供了新的思路和方法。

20、4、本发明中，铁和钛的价格都低廉，存储量大，同时，将2-氯甲基咪唑啉酸盐/聚吡咯/氧化石墨烯(2-meim/ppy/go)作为底物合成的铁钛氧化物-有机导电复合物，促进了铁钛氧化物在有机导电聚合物上的分散性和在电化学催化中的电子迁移率，进一步提高了金属氧化物的催化性能。

21、5、本发明制备的修饰电极，价格低廉、稳定性好、操作简单、反应速度快。

技术特征：

1.feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，其特征在于，制备方法包括如下步骤：于去离子水中加入2-meim/ppy/go纳米片，超声分散，然后加入fecl2·4h2o、k2tif6和尿素，搅拌后进行水热反应，所得产物洗涤，离心，真空干燥，得feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料。

2.根据权利要求1所述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，其特征在于，2-meim/ppy/go纳米片的制备方法如下：于n,n-二甲基甲酰胺中加入ppy/go纳米片、2-氯甲基咪唑啉盐酸盐，超声分散，再加入koh，超声分散后，进行回流搅拌反应，离心，洗涤，真空干燥，得2-meim/ppy/go纳米片。

3.根据权利要求2所述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，其特征在于，所述的回流搅拌反应是在60℃油浴中，回流搅拌反应24h。

4.根据权利要求2所述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，其特征在于，所述的ppy/go纳米片的制备方法如下：在超声辐射的条件下，将吡咯py原位化学聚合于go纳米片上。

5.根据权利要求1所述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，其特征在于，步骤3)中，按摩尔比，fecl2·4h2o:k2tif6:尿素＝1:4:10。

6.根据权利要求1所述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料，其特征在于，步骤3)中，所述水热反应为：将所得反应体系置于聚四氟乙烯内胆的特氟龙反应釜中于200℃水热反应24h。

7.一种基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极，其特征在于，是以碳布为基底，将权利要求1-6任意一项所述的feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料附着在碳布上制成的feooh-tio2@2-meim/ppy/go修饰电极。

8.权利要求7所述的一种基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.权利要求7所述的基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极在电催化氮氧化中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，方法如下：将权利要求7所述的基于feooh-tio2@2-meim/ppy/go纳米材料的nor电催化修饰电极作为工作电极，ag/agcl电极为参比电极，铂片电极为辅助电极，组成三电极系统，在0.1m氢氧化钾溶液中实现对氮气的电催化氧化。

技术总结本发明属于新能源及电化学催化领域，具体涉及FeOOH‑TiO<subgt;2</subgt;@2‑MeIm/PPy/GO纳米材料及其在电催化氮氧化中的应用。制备方法如下，于去离子水中加入2‑MeIm/PPy/GO纳米片，超声分散，然后加入FeCl<subgt;2</subgt;·4H<subgt;2</subgt;O、K<subgt;2</subgt;TiF<subgt;6</subgt;和尿素，搅拌后进行水热反应，所得产物洗涤，离心，真空干燥，得FeOOH‑TiO<subgt;2</subgt;@2‑MeIm/PPy/GO纳米材料。在碱性条件下，以FeOOH‑TiO<subgt;2</subgt;为活性中心，2‑MeIm/PPy/GO为基底的复合纳米材料可以提高NOR反应活性，提高产NO<supgt;3‑</supgt;速率，显示出较高的法拉第效率，具有一定的稳定性，为常温常压下NOR电催化剂的研究和设计提供了一种新的思路和方法。技术研发人员：茆卉,李慧楠,孙玉恒,吴抒遥受保护的技术使用者：辽宁大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2