一种氧化钽复合氧化铋电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氧化钽复合氧化铋电催化剂及其制备方法和应用，催化剂的主要成分为氧化钽及氧化铋两种金属氧化物，通过水热以及高温煅烧的两步简便操作，使氧化铋在氧化钽材料表面原位生长，控制铋元素含量为氧化钽基底的3~50wt.%。本发明专利技术通过铋、钽氧化物之间的协同效应，促进了碱性环境下过氧中间体的高效生成，从而使得该催化剂具有94.7%的优良电催化产双氧水选择性及90.0%的法拉第效率，并显现出长时间的电催化性能稳定性。此外，比较廉价且易获取的原材料，简单及易重复的制备步骤，使得该材料具有较大的实际应用潜力。使得该材料具有较大的实际应用潜力。使得该材料具有较大的实际应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化钽复合氧化铋电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电催化剂的制备
，具体涉及一种氧化钽复合氧化铋电催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]双氧水作为一种绿色氧化剂、消毒剂，被广泛应用于工业生产与日常生活当中，其灭菌消毒的功能进一步扩大了社会对其需求。
[0003]高浓度双氧水的制备目前仍依赖于传统的蒽醌工艺，该工艺能源消耗大，而且伴随着大量的有机废液的排放，对环境污染严重。此外产生的双氧水仍需进一步提纯，后处理所需成本大，且双氧水的储存及运输都存在着极大的安全隐患。氢气氧气直接合成双氧水的方法虽然十分清洁，也能保证双氧水产物的纯度，但是该反应过程存在爆炸的风险，也不适合规模化的应用。
[0004]相比以上两种方法，电催化产双氧水作为一种绿色的、低成本的、现场即产即用的方式引起了更多的关注。通过阴极侧的还原反应，将氧气还原成水或者双氧水，由于存在两种氧还原途径，所以氧还原反应的选择性成为了评价催化剂电催化产双氧水的一个重要指标。高选择性、高稳定性、低成本电催化剂的制备，成为了当下研究的一大难点。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种氧化钽复合氧化铋电催化剂及其制备方法和应用，本专利技术采用简单的水热及煅烧方法，在氧化钽上原位生长氧化铋，合成了具有高选择性的电催化产双氧水催化剂。
[0006]具体技术方案如下：一种氧化钽复合氧化铋电催化剂的制备方法，具体包括如下步骤：1）将氯化钽分散于醇溶液中，室温下搅拌形成白色悬浊液，经过抽滤、洗涤、干燥后得到白色粉末；2）将步骤1）所得的白色粉末置于惰性气氛下的管式炉内高温煅烧，得到球状纳米氧化钽材料；3）将通过步骤2）制备得到的球状纳米氧化钽材料超声分散于乙二醇中，加入五水硝酸铋和氢氧化钠，并搅拌均匀，随后将混合液转移至特氟龙内衬中，通过水热处理使氧化钽表面原位生长铋氢氧化物，将所得水热产物进行分离、洗涤、干燥；4）将步骤3）的水热产物转移至马弗炉中煅烧，得到氧化钽复合氧化铋电催化剂。
[0007]进一步地，步骤1）中所述的醇溶液为甲醇及去离子水的混合溶液，甲醇与去离子水的体积比为9:1，氯化钽分散在醇溶液中后，其摩尔浓度为0.01~0.05mol/L。
[0008]进一步地，步骤1）中洗涤所用的洗涤剂为甲醇，干燥的条件为50
‑
70℃真空干燥，干燥时间为12
‑
24h。
[0009]进一步地，步骤2）中的惰性气体为氩气，煅烧温度为600~800℃，升温速率为2~5
℃/min，惰性气体的流速为20~40mL/min，煅烧时间3~6h。
[0010]进一步地，步骤3）中球状纳米氧化钽材料在乙二醇中的浓度为0.5~1mg/mL，五水硝酸铋的加入量依据铋元素占氧化钽质量含量的3
‑
50wt.%精确称量，氢氧化钠在混合液中的浓度为1mmol/L，搅拌速率为300
‑
500转/min。
[0011]进一步地，步骤3）中水热反应的升温速率控制在2~5℃/min，反应温度为140~180℃，反应时间为3~6h，洗涤所用的洗涤剂为乙醇，干燥条件为50
‑
70℃，干燥时间为12
‑
24h。
[0012]进一步地，步骤4）中的煅烧在空气气氛500
‑
800℃下进行，升温速率为5℃/min，煅烧时间为3h。
[0013]一种采用上述的制备方法制备得到的氧化钽复合氧化铋电催化剂，铋元素含量为氧化钽基底质量含量的3
‑
50wt%。
[0014]一种氧化钽复合氧化铋电催化剂在电催化产双氧水中的应用，所述电催化过程在借助旋转圆盘电极构筑的四电极体系中进行，将氧化钽复合氧化铋电催化剂粉末配备成悬浊液涂覆在环盘电极的玻碳区域上作为工作电极，铂环区域作为环电极，铂丝作为对电极，饱和甘汞电机作为参比电极，以0.1mol/L的KOH溶液作为电解液，进行电催化产双氧水相关电化学性能的测试。
[0015]进一步地，催化剂悬浊液的制备过程如下：将氧化钽复合氧化铋电催化剂同质量浓度为5%的Nafion溶液及无水乙醇混合，Nafion溶液及无水乙醇体积比0.5
‑
2：9，混合后电催化剂的浓度为1
‑
5mg/mL，超声分散均匀后涂覆在环盘电极的玻碳区域上，用红外烘灯烘干后于四电极体系电解池中进行性能测试。
[0016]本专利技术与现有技术相比，具有以下优势：1）原料易获取且毒害性小，成本低廉，制备步骤简单，可重复性良好；2）反应条件相对温和，制备过程安全隐患少；3）通过上述技术制备的氧化钽复合氧化铋电催化剂，对氧还原产双氧水的选择性高达94.7%，法拉第效率达90.0%，此外该催化剂还具有良好的电催化稳定性，显现出一定的实际应用潜力。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例1所得球状纳米五氧化二钽的SEM图像；图2为本专利技术实施例3所得氧化钽复合氧化铋电催化剂的SEM图像；图3为本专利技术实施例2、3、4、5所得不同煅烧温度下的氧化钽复合氧化铋电催化剂同纯氧化钽、氧化铋的选择性测试结果对比图；图4为本专利技术实施例3、6、7、8所得氧化钽复合氧化铋电催化剂及纯氧化钽、氧化铋的LSV测试结果对比图；图5为本专利技术实施例3、6、7、8所得氧化钽复合氧化铋电催化剂及纯氧化钽、氧化铋的选择性测试结果对比图；图6为本专利技术实施例3、6、7、8所得氧化钽复合氧化铋电催化剂及纯氧化钽、氧化铋的法拉第效率测试结果对比图；图7为本专利技术所得氧化钽复合氧化铋电催化剂的选择性
‑
铋含量关系图；图8为本专利技术实施例3所得氧化钽复合氧化铋电催化剂的稳定性测试结果图。
具体实施方式
[0018]下面结合具体实施例对本专利技术作详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。
[0019]实施例1氧化钽材料的制备方法如下：1）将358.2mg氯化钽分散于甲醇溶液中，其中甲醇45mL，去离子水5mL，室温下搅拌形成白色悬浊液，经过抽滤、甲醇洗涤、60℃真空干燥12h后得到白色粉末；2）将步骤1）所得白色粉末置于管式炉中，在800℃，Ar气氛下进行高温煅烧，升温速率为5℃/min，气体流速控制为30mL/min，煅烧时间3h，进一步去除多余的结晶水后，得到纳米氧化钽材料，其SEM图像如图1所示，材料为球状形貌。
[0020]实施例2一种500℃下煅烧得到的氧化钽复合氧化铋电催化剂（其中铋元素含量占氧化钽的10wt.%）制备方法如下：1)取通过实施例1制备得到的球状纳米氧化钽材料（五氧化二钽）50mg分散于50mL乙二醇中，按铋元素占五氧化二钽10wt.%称取五水硝酸铋11.2mg，取NaOH粉末2mg，以350转/min的转速搅拌30min后转移至100mL内衬中，升温速率为2℃/min，180℃的温度下反应6h，随后让烘箱自然冷却至室温，用乙醇洗涤水热产物，65℃下真空干燥12h；2）将干燥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化钽复合氧化铋电催化剂的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：1）将氯化钽分散于醇溶液中，室温下搅拌形成白色悬浊液，经过抽滤、洗涤、干燥后得到白色粉末；2）将步骤1）所得的白色粉末置于惰性气氛下的管式炉内高温煅烧，得到球状纳米氧化钽材料；3）将通过步骤2）制备得到的球状纳米氧化钽材料超声分散于乙二醇中，加入五水硝酸铋和氢氧化钠，并搅拌均匀，随后将混合液转移至特氟龙内衬中，通过水热处理使氧化钽表面原位生长铋氢氧化物，将所得水热产物进行分离、洗涤、干燥；4）将步骤3）的水热产物转移至马弗炉中煅烧，得到氧化钽复合氧化铋电催化剂。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1）中所述的醇溶液为甲醇及去离子水的混合溶液，甲醇与去离子水的体积比为9:1，氯化钽分散在醇溶液中后，其摩尔浓度为0.01~0.05mol/L。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤1）中洗涤所用的洗涤剂为甲醇，干燥的条件为50
‑
70℃真空干燥，干燥时间为12
‑
24h。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2）中的惰性气体为氩气，煅烧温度为600~800℃，升温速率为2~5℃/min，惰性气体的流速为20~40mL/min，煅烧时间3~6h。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤3）中球状纳米氧化钽材料在乙二醇中的浓度为0.5~1mg/mL，五水硝酸铋的加入量依据铋元素占氧化钽质量含量的3
‑
50wt%精确称量，氢氧化钠在混合液中的浓度为1mmol/L，搅拌速率为300
‑
50...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，江乘航，张世杰，李岩峰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：