一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料、制备方法及其应用，将铜盐、还原剂和镍盐溶解在去离子水中，获得溶液，将泡沫铜倾斜浸没于溶液中，进行水热反应，制得非晶Ni(OH)2纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料。与现有技术相比，本发明专利技术将廉价导电性良好的金属铜与非晶的Ni(OH)2形成异质结构用于CO2ER，赋予催化剂高的导电性和丰富的催化活性位点，纳米管包裹纳米粒子异质纳米结构形成的管与粒子之间的通道使CO2气体和催化剂表面充分接触，优化了中间体物种及其吸附行为，增加了吸附的中间体在有限的空间内耦合的几率，提高催化剂电催化二氧化碳还原(CO2ER)生成乙烷的活性、选择性和稳定性。并且，具有制备工艺简单、环境友好、成本低廉的特点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于纳米材料制备方法及电催化应用领域，具体涉及一种非晶Ni(OH)2纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]化石燃料的过度消耗引起大气中二氧化碳(CO2)浓度急剧升高，带来一系列环境问题。电催化二氧化碳还原(CO2ER)是一种将CO2转化为有价值的燃料和化学品以实现碳中和循环的可行且有效的方法。由于CO2分子在水中有限的溶解度以及C＝O键的高热力学稳定性，多数催化剂在电催化还原过程中存在电流密度低、选择性差等问题。
[0003]电催化二氧化碳还原(CO2ER)技术的进步需要制备高活性、选择性和稳定性的电催化剂加速CO2ER的催化动力学。CO2电催化还原得到的产物中，乙烷作为一种C2产物，具有高的能量密度，可以用作化学品合成原料和燃料等。然而，由于C
‑
C耦合较为困难以及乙烷产生与其它C
2+
产物之间存在竞争，使得目前能高活性、高选择性地电催化CO2还原至乙烷产物的催化剂仍很少。金属Cu在CO2ER过程中对*H具有正的吸附能，对*CO具有负的吸附能，因而成为能够电催化还原CO2生成C
2+
化合物的唯一的单金属催化剂。但Cu催化剂仍然存在产品选择性差和效率有限等问题。
[0004]非晶化合物因其结构的高度无序性和键的随机取向性等能够降低C＝O的活化能活化CO2分子，有利于提高CO2ER的催化性能。但是非晶化合物因导电性差使其催化活性受限。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料及其制备方法，通过一步水热法合成了非晶Ni(OH)2纳米管包裹Cu纳米粒子(a
‑
Ni(OH)2NTs@Cu NPs)异质结构材料。
[0006]本专利技术提供的一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料的应用，用于电催化二氧化碳还原反应(CO2ER)。
[0007]本专利技术具体技术方案如下：
[0008]一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料的制备方法，具体为：
[0009]将铜盐、还原剂和镍盐溶解在去离子水中，获得溶液，将泡沫铜倾斜浸没于溶液中，进行水热反应，制得非晶Ni(OH)2纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料。
[0010]所述铜盐、镍盐和还原剂的物质的量之比为1.5～2.5:1～2:8～12，优选为2:1.5:10。
[0011]所述铜盐为可溶性铜盐，优选为Cu(NO3)2·
3H2O；所述镍盐选自可溶性镍盐，优选为Ni(NO3)2·
6H2O；可溶性铜盐和镍盐用于本专利技术反应可达到相同的效果；所述还原剂为次亚磷酸钠NaH2PO2·
H2O。次亚磷酸钠歧化生成PH3气体，产生的气体在溶液中形成气泡模板，
形成产物的空管结构。另外，次亚磷酸钠还原剂的弱还原作用使反应缓慢进行，形成纳米管包裹纳米粒子结构，换做其他还原剂均不能达到此效果。
[0012]所述铜盐在溶液中的浓度为0.04～0.07M，优选为0.06M；
[0013]进一步的，将铜盐、还原剂和镍盐溶解在去离子水中，进行搅拌混匀，可以为磁力搅拌，或者采用超声分散；
[0014]所述水热反应的条件为140
‑
180℃下反应5～7h，优选为160℃反应6h。
[0015]所述泡沫铜使用前进行预处理，所述预处理具体为：先用6M盐酸浸泡15min除去表层的氧化物，然后分别用去离子水和无水乙醇清洗，使用时裁剪成2.5
×
3.5cm大小。泡沫铜作为基底，其作用是为了避免后续采用连结剂将催化剂涂抹在导电基底上而带来催化剂活性无法最大程度发挥以及催化剂容易脱落等问题。
[0016]所述水热反应在聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行；
[0017]反应结束后，自然冷却至室温，洗涤、干燥；
[0018]所述洗涤为：先用去离子水洗涤3～5次，再用无水乙醇洗涤3～5次；
[0019]所述干燥为：55～70℃真空干燥箱中干燥6～12h。
[0020]本专利技术提供的一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料，采用上述方法制备得到负载在泡沫铜基底上的非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料，所述非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料的形貌为非晶Ni(OH)2纳米管包裹Cu纳米粒子；非晶Ni(OH)2纳米管平均直径为8
‑
13nm，长度为200
‑
500nm，Cu纳米粒子平均直径为3
‑
6nm。所述非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料，即为a
‑
Ni(OH)2NTs@Cu NPs。
[0021]本专利技术提供的一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料的应用，作为电催化二氧化碳还原电催化剂的应用，用于电催化二氧化碳还原反应(CO2ER)。
[0022]具体应用方法为：将所述非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构裁剪为0.5
×
0.5cm大小作为工作电极，用碳棒和Ag/AgCl电极分别作为对电极和参比电极，电解液为0.1M KHCO3溶液，组装在H型电解池中，使用CHI 760E电化学工作站进行电化学测试。线性扫描极化曲线(LSV)在10.0mV
·
s
‑1的扫描速率下进行。CO2ER产物的法拉第效率通过气相色谱(GC2030)和核磁共振氢谱(1HNMR Bruker,ASCEnd TM 400MHz)获得的谱图计算获得。通过在恒定电压下测定电流密度时间曲线获得稳定性。羟基(OH
‑
)吸附在氩气饱和的0.1M KOH电解液和5.0mV
·
s
‑1的扫描速率下获得。电化学活性面积(ECSAs)通过在无明显法拉第区域和不同扫描速率下(10、20、30、40、50、60和70mV
·
s
‑1)利用循环伏安测量电化学双电层电容(C
dl
)进行评估，测试电压范围为
‑
0.33～
‑
0.45V(相对于可逆氢电极)；电化学阻抗(EIS)在100kHz至0.01Hz的频率范围内
‑
0.6V(相对于可逆氢电极)下进行测试。
[0023]本专利技术制备过程中，通过简单的一步水热合成法形成非晶Ni(OH)2纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构，首先，H2PO2‑
离子在水溶液中水解产生OH
‑
离子，随后H2PO2‑
离子与OH
‑
离子反应产生PH3气体，在水溶液中形成微气泡。另一方面，Ni
2+
与PH3微气泡周围的OH
‑
离子反应形成Ni(OH)2介孔纳米粒子。铜盐提供的Cu
2+
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶氢氧化镍纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体为：将铜盐、还原剂和镍盐溶解在去离子水中，获得溶液，将泡沫铜倾斜浸没于溶液中，进行水热反应，制得非晶Ni(OH)2纳米管包裹Cu纳米粒子异质结构材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铜盐、镍盐和还原剂的物质的量之比为1.5～2.5:1～2:8～12。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述铜盐为可溶性铜盐。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述镍盐为可溶性镍盐。5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述还原剂为次亚磷酸钠。6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述铜盐在溶液中的浓度为0.04～0.07M。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴正翠，孙卫培，高峰，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：