一种碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的制备方法及其在电化学合成尿素中的应用

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的制备方法及其在电化学合成尿素中的应用。

背景技术

1828年，维勒人工合成了尿素，打破了有机化合物的生命力学说。在农业领域，尿素作为一种氮基肥料，促进了粮食增产，保证人类粮食供应；在工业领域，尿素是脲醛树脂、聚氨酯、化妆品等多种化学品的生产原料。传统的尿素合成方法是通过传统Haber-Bosch工艺合成氨，再进一步生成尿素等含氮化学品，该合成方法需高温(350℃)高压(10MPa)环境，能源消耗大，排放出的CO

利用含氮废物(硝酸盐、腈、氮氧化物)与CO

发明内容

本发明的目的是提供一种原料易得、制备方法简单、催化效率高且选择性好的碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的制备方法及其在电化学合成尿素中的应用。

本发明采用的技术方案是：

一种碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极，所述碳布负载Ni基MOF材料是以Ni(NO

一种碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的制备方法，包括如下步骤：

1)准确称量Ni(NO

2)将得到的Ni基MOF材料粉末与膜溶液、2-炔黑、异丙醇、超纯水混合配制成油墨，使用注射器将油墨滴加于碳布上，得到Ni-PMDA电极。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，Ni(NO

进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述超声分散时间为10min。

进一步的，上述的制备方法，步骤1)中，所述水热反应温度为120℃，反应时间为48h。

进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述Ni基MOF材料粉末、膜溶液、2-炔黑、异丙醇、超纯水的用量分别为3mg、30μL、3mg、170μL、200μL。

进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述碳布的规格为1cm×2cm大小的长方形。

进一步的，上述的制备方法，步骤2)中，所述碳布在使用前依次分别用丙酮、无水乙醇、浓硝酸、无水乙醇、丙酮进行浸渍超声处理30min。

上述的一种碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极在电化学合成尿素中的应用。

进一步的，上述的应用，方法如下：将碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极作为工作电极阴极，阳极为铂片电极，参比电极使用Ag/AgCl参比电极，阴极电解液使用0.1M KNO

本发明的有益效果是：

1、本发明利用溶剂热策略合成催化剂粉末并配制成油墨，使用碳布负载催化剂，原料简单易得，合成操作难度低。

2、本发明所合成的催化电极用于电化学合成尿素，在-0.4V v.s.RHE下达到最高29.31％的法拉第效率，在-0.6V v.s.RHE下达到最高2.703mmol h

3、本发明所合成催化电极在-0.4V v.s.RHE下连续电解15h，电流密度稳定在0.5mA cm

附图说明

图1是实施例1制备的碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极中的Ni-PMDA的FT-IR图。

图2是实施例1制备的碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的XRD图。

图3是实施例2中碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极电化学合成尿素的实验装置图。

图4是实施例2中碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极在Ar气氛和CO

图5是实施例2中二乙酰一元肟法测试尿素产率和法拉第效率的UV-vis吸收光谱图及尿素标准曲线。

图6是实施例2中碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的尿素产率和法拉第效率图。

图7是实施例2中碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极催化稳定性测试图。

具体实施方式

实施例1碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的制备

(一)制备方法如下：

1)碳布的预处理：将碳布裁剪成1cm×2cm大小的长方形，依次浸泡在丙酮溶液、无水乙醇、浓硝酸、无水乙醇、丙酮溶液中，每次均超声振荡30min，并用超纯水反复洗净，将处理好的碳布真空干燥备用。

2)Ni基MOF材料的制备：准确称量0.16mmol Ni(NO

3)碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极的制备：将3mg Ni基MOF材料粉末、3mg 2-炔黑、30μL的杜邦膜溶液、170μL异丙醇、200μL超纯水混合制成催化剂油墨，将油墨超声60min分散均匀，使用移液枪将油墨滴加在碳布上，滴加量10-12滴，烘干后称重，根据滴加前后碳布质量，计算催化剂负载量。

(二)检测结果

图1是实施例1制备的Ni基MOF材料Ni-PMDA电极粉末的FTIR谱图，由图1可见，Ni-PMDA粉末在3400cm

实施例2碳布负载Ni-PMDA电极在电催化合成尿素中的应用

测试方法：将制得的碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极作为工作电极。

实验装置如图3所示，实验电解槽为天津艾达的H型电解池，质子交换膜为Nafion117膜，将实施例1制备的电极置于阴极电极夹上作为工作电极，参比电极使用Ag/AgCl电极，对电极使用铂片电极，阴极电解液为35mL 0.1M KNO

碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极在Ar气氛和CO

尿素测试的标准曲线和尿素法拉第效率及产率如图5和图6所示：实验设置的五个标曲浓度依次为0、0.5、1.0、1.5、2.0μg ml

催化稳定性测试如图7所示：在法拉第效率最高电位下，使用计时电流法连续电解15h，电流密度稳定在0.5mA cm

综上所述，本发明碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极，具有较高的法拉第效率和尿素产率，同时具备较好的电催化稳定性，因此这种碳布负载Ni基MOF材料Ni-PMDA电极在电催化合成尿素领域具有较为理想的开发前景。