一种Fe-Co-Ni-C尿素氧化电极及其制备方法

本发明涉及一种fe-co-ni-c尿素氧化电极，还涉及上述fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法。

背景技术：

1、氢气因其能量密度高、清洁无污染而被认为是一种理想的能源载体。制取氢气是实现氢能利用的关键步骤。在各种制氢技术中，电解水制氢具有低温低压、高效率、不产生有害物质的优点，被认为是制备氢气最可行、最成熟的方法。然而，作为电解水的核心反应之一-阳极的析氧反应(oer)动力学缓慢和高的理论电压限制了电解水制氢的发展，采用低理论电压的小分子(如肼、尿素、乙醇等)氧化反应替代oer被认为是一种理想的策略。其中，尿素氧化反应(uor)不仅具有低的理论电压0.37v，同时可以降低尿素对水资源的污染，而且尿素氧化产物为co2和n2，不会产生易爆炸的h2/o2混合物。目前，钌(ru)和铱(ir)的金属氧化物是最理想的尿素氧化催化材料，但其昂贵的价格和有限的存储量严重制约了其大规模商业化应用。因此研发高催化活性和低成本的非贵金属尿素氧化催化材料具有重要的理论和现实意义。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的旨在提供一种具有高催化活性的fe-co-ni-c尿素氧化电极；本发明另一目的旨在提供利用电沉积法制备上述fe-co-ni-c尿素氧化电极的方法。

2、技术方案：本发明所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极，包括导电基体以及通过电沉积法沉积在导电基体表面的fe-co-ni-c镀层。

3、其中，所述fe-co-ni-c镀层中，各元素的原子百分含量为：fe：54～58％、co：18～22％、ni：12～16％、c：4～16％。四元成分的fe-co-ni-c镀层在各元素特定组成下能够在镀层表面形成具有多个凸起小纳米颗粒的微观形貌，这种微观形貌增加了镀层的比表面积，从而使镀层具有多个反应活性位点；同时多组分的共析出也能产生协同效应；丰富的催化活性位点，小的纳米颗粒尺寸以及四元素共析出协同效应共同提高了fe-co-ni-c电极的催化活性。

4、其中，所述导电基体为泡沫镍。

5、其中，所述fe-co-ni-c镀层的厚度为1～2μm。若fe-co-ni-c镀层太薄，则覆盖不足；若fe-co-ni-c镀层太厚，电阻会比较大且容易开裂。

6、上述fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)配制电镀水溶液：将铁源、钴源、镍源、碳源、缓冲剂和导电剂溶于水中，得到电镀水溶液；

8、(2)电沉积制备fe-co-ni-c电极：以预处理过的导电基体作为工作电极，以石墨片作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，对电镀水溶液进行电镀沉积，得到fe-co-ni-c电极。

9、其中，步骤(1)中，所述铁源为水溶性铁盐中的一种或几种的混合物；所述钴源为硫酸钴、氯化钴或硝酸钴中的一种；所述镍源为硫酸镍、氯化镍或硝酸镍中的一种；所述碳源为精氨酸、赖氨酸或组氨酸中的一种。

10、其中，步骤(1)中，所述缓冲剂为硼酸、柠檬酸或氯化铵中的一种。

11、其中，步骤(1)中，所述导电剂为nacl、licl或kcl中的一种。

12、其中，步骤(1)中，电镀水溶液中，所述铁源的质量浓度为20～30g/l，钴源的质量浓度为15～30g/l，镍源的质量浓度为25～35g/l，碳源的质量浓度为3～5g/l，缓冲剂的质量浓度为10～15g/l，导电剂的质量浓度为15～20g/l。

13、其中，步骤(2)中，电镀沉积过程中，电镀水溶液的温度为35～40℃；电镀沉积的时间为20～30s；电镀沉积时的电流密度为1～2a/cm2。

14、其中，步骤(2)中，导电基体的预处理是指：将导电基体裁成矩形片，将裁剪好的导电基体置于无水乙醇中超声振荡，再用去离子水冲洗干净；随后再在稀盐酸中超声振荡，再用去离子水冲洗至冲洗液ph值为中性，放入真空干燥箱中保存，得到导电基体。

15、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：(1)本发明的fe-co-ni-c尿素氧化电极具有低的尿素氧化过电位，能够作为碱性电解水尿素氧化电极材料使用；(2)本发明选用导电性能好、结构稳定的三维结构泡沫镍作为基底材料，采用电沉积法一步合成fe-co-ni-c尿素氧化电极，恒电流电沉积方式具有制备时间短，步骤简单的优点，且得到的fe-co-ni-c镀层表面具有多个凸起的小纳米颗粒，即四元成分的fe-co-ni-c镀层在各元素特定组成下能够在镀层表面形成具有多个凸起小纳米颗粒的微观形貌，从而使镀层具有多个反应活性位点，进而提高fe-co-ni-c电极的催化性能；镀层表面内用力小，可以降低反应的活化能垒，加快反应动力学，从而在更低温度下获得较高的催化效率；同时电沉积法使fe-co-ni-c镀层与基底材料结合牢靠，能够减少电极材料在尿素氧化反应过程中的脱落现象，极大地提高了电极的电化学稳定性。

技术特征：

1.一种fe-co-ni-c尿素氧化电极，其特征在于：包括导电基体以及通过电沉积法沉积在导电基体表面的fe-co-ni-c镀层。

2.根据权利要求1所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极，其特征在于：所述fe-co-ni-c镀层中，各元素的原子百分含量为：fe：54～58％、co：18～22％、ni：12～16％、c：4～16％。

3.根据权利要求1所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极，其特征在于：所述导电基体为泡沫镍。

4.根据权利要求1所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极，其特征在于：所述fe-co-ni-c镀层厚度为1～2μm。

5.权利要求1所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述铁源为水溶性铁盐中的一种或几种的混合物；所述钴源为硫酸钴、氯化钴或硝酸钴中的一种；所述镍源为硫酸镍、氯化镍或硝酸镍中的一种；所述碳源为精氨酸、赖氨酸或组氨酸中的一种。

7.根据权利要求5所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述缓冲剂为硼酸、柠檬酸或氯化铵中的一种；所述导电剂为nacl、licl或kcl中的一种。

8.根据权利要求5所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，电镀水溶液中，所述铁源的质量浓度为20～30g/l，钴源的质量浓度为15～30g/l，镍源的质量浓度为25～35g/l，碳源的质量浓度为3～5g/l，缓冲剂的质量浓度为10～15g/l，导电剂的质量浓度为15～20g/l。

9.根据权利要求5所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，电镀沉积过程中，电镀水溶液的温度为35～40℃；电镀沉积的时间为20～30s；电镀沉积时的电流密度为1～2a/cm2。

10.根据权利要求5所述的fe-co-ni-c尿素氧化电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，导电基体的预处理是指：将导电基体裁成矩形片，将裁剪好的导电基体置于无水乙醇中超声振荡，再用去离子水冲洗干净；随后再在稀盐酸中超声振荡，再用去离子水冲洗至冲洗液ph值为中性，放入真空干燥箱中保存，得到导电基体。

技术总结
本发明公开了一种Fe‑Co‑Ni‑C尿素氧化电极及其制备方法，Fe‑Co‑Ni‑C尿素氧化电极包括导电基体以及通过电沉积法沉积在导电基体表面的Fe‑Co‑Ni‑C镀层。本发明的Fe‑Co‑Ni‑C尿素氧化电极具有低的尿素氧化过电位，能够作为碱性电解水尿素氧化电极材料使用；Fe‑Co‑Ni‑C镀层表面具有多个凸起的小纳米颗粒，从而使镀层具有多个反应活性位点，进而提高Fe‑Co‑Ni‑C电极的催化性能；同时电沉积法使Fe‑Co‑Ni‑C镀层与基底材料结合牢靠，能够减少电极材料在尿素氧化反应过程中的脱落现象，极大地提高了电极的电化学稳定性。

技术研发人员：吴艺辉,袁绍武,王宇鑫,陈文静,尹丽,郝佳杰,郭平义
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6