用于电氧化尿素制氢气和氮气的CoFe-LDHs/VMT复合催化剂及制备方法

用于电氧化尿素制氢气和氮气的cofe-ldhs/vmt复合催化剂及制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种电催化剂及其制备方法，具体涉及一种用于电氧化尿素制氢气和氮气的cofe-ldhs/vmt复合催化剂及制备方法。


背景技术：

2.当前全球乃至我国面临严重的能源危机和环境污染问题，因此为了解决能源危机，亟需开发一种新型能源用于解决环境污染问题与能源危机。氢气是一种绿色清洁能源，当前研究者们主要通过甲烷水蒸气重整制备氢气，该过程需要大量消耗化石能源，消耗化石能源的过程还会产生对环境有害的二氧化碳污染空气，造成温室效应。为了解决这个领域存在的问题，亟需开发出新的制备氢气的路线。电催化领域主要通过水电解制备氢气，然而水电解制备氢气需要的能耗远远高于尿素电解制备氢气。
3.人类尿液是最重要的人为营养液之一；它的体积为1％，可向生活废水中富集约75-85％的氮和50％的磷。尿素是一种富含能量的化合物，具有高水溶性(20℃时为1079g/l)、低挥发、无毒、理想能量密度(16.9mj/l和6.71wt％的氢含量)以及0.084v的低氧化理论电压的优势。从尿素中回收能量是污染物控制和能量收集的可持续途径。最近，尿素电解被认为是利用富含尿素的废水作为能源在阴极产生氢气或通过直接尿素燃料电池发电的潜在途径。它提供了一种有吸引力的方法，以环保的方式减轻水污染，并提供替代能源。它还通过降低废水处理厂去除营养物的能耗，为下游城市基础设施带来了积极的净效应。
4.与贵金属相比，镍基催化剂在尿素电氧化中表现出更高的电流密度和更低的氧化过电位。在本质上缓慢的6e转移过程(co(nh2)2+6oh-→
n2+5h2o+co2+6e)中，镍基物质可以氧化成niooh(ni
3+
)作为尿素氧化的活性位点。然而，对于镍基催化剂，尿素电氧化的过电位仍然很高(高于0.9v)。此外，镍基催化剂还可以催化析氧反应，这可能是降低尿素氧化化学选择性的竞争性副反应。这为开发高效、坚固和廉价的电催化剂以降低尿素电氧化的过电位和提高效率提供了巨大的机会。
5.低维纳米材料已被应用于降低过电位和提高电氧化反应的电流密度。层状双氢氧化物(ldhs)是一类二维(2d)粘土，可以表示为其带正电荷的类水镁石主体层之间存在的可交换层间阴离子保持电荷平衡。在这种类水镁石层中，八面体结构中由羟基配位的一部分二价金属离子被带正电荷的三价金属离子取代。层间电荷补偿阴离子a可以是不同的无机离子(如no
3-、co
32-、cl-、so
42-等)。)或各种有机阴离子。除了阴离子插层，ldh中的空位还可以诱导阳离子的可逆插层，这为地球上丰富的过渡金属基材料在电化学能量储存和转换应用中开发了一种通用方法。通过将各种价过渡金属离子结合到层状结构中，ldh结构的灵活性为开发高性能催化剂提供了巨大的可能性。改变金属阳离子的性质、m
2+
/m
3+
的摩尔比、层间阴离子的类型等被认为是调节ldhs物理化学性质的有效策略，满足了不同实际应用中的特定要求。
6.中科院兰州化物所的何林教授以及华东理工大学的杨雪晶课题组发现以nico层
状氢氧化物为催化剂，可以高效的裂解尿素，将其变废为宝。表明水滑石材料有很好的电解尿素制备氢气的性能，故而本发明中开发出了一种新型的cofe-ldhs/vmt催化剂首次将其用于高效裂解尿素制备氢气以及氮气。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明针对现有催化剂电解尿素存在催化剂活性低，催化剂制备工艺繁杂，制备成本高，反应需要苛刻的条件等不足之处，提供一种能高效催化裂解尿素制备氢气和氮气的cofe-ldhs/vmt复合催化剂及制备方法。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种cofe-ldhs/vmt复合催化剂，所述催化剂用于尿素氧化领域，可将尿素电氧化制备氢气与氮气。
10.且，本发明还提供上述cofe-ldhs/vmt复合催化剂的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
11.1)将蛭石在超声中用去离子水清洗，除去杂质，干燥备用；
12.2)将尿素溶解于去离子水中得到尿素溶液，将硝酸钴和硝酸铁于去离子水中搅拌超声溶解得到钴铁混合液；
13.3)取步骤1)清洗过的蛭石研磨后分散于钴铁混合液中，水浴加热，将尿素缓慢滴加到含蛭石的钴铁混合液中搅拌，随后水热合成，待反应完成后，自然冷却至室温，过滤分离得到cofe修饰的蛭石水滑石复合材料；
14.4)将步骤3)得到的蛭石水滑石复合材料用去离子水清洗3～5次，直至溶液呈中性，随后在空气中干燥，即得所述cofe-ldhs/vmt复合催化剂。
15.需要说明的是，起初制备的片状催化剂没有尿素降解活性，并且制备过程中催化剂稳定性不佳，活性低，从而为其工业化带来了一定挑战。本发明为了改变这一困境，改变了传统催化剂制备工艺，在该过程中将膨胀蛭石进行研磨，进一步增大了层板间距，便于尿素分子可以在水滑石层板之间高效的进行反应，从而得以提高氢气生成速率以及释放速率。且对催化剂制备时间，制备温度，cofe比例进行详尽的探究，以制备出高效电解尿素制备氢气以及氮气的催化剂。
16.进一步地，本发明通过探究对催化活性影响的因素，制备得到了活性位点多的催化剂，催化剂层板间距扩张，为尿素分子在层板间的活性位点上高效活化提供了空间，从而能进一步变尿素为宝转化为氢气和氮气。通过xrd表征数据可以看出本发明成功制备出了一种高性能的cofe-ldhs/vmt复合催化剂，以及通过电镜结果可以看出所述cofe-ldhs与vmt之间存在相互作用力，能够高效的电解尿素产生氮气和氢气。
17.可选地，所述步骤3)中的水浴温度为100℃，搅拌时间为0.5h；水热合成反应温度为80℃-180℃，反应时间为6-72h。
18.可选地，所述步骤4)中的干燥温度为80℃。
19.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供的一种用于电氧化尿素制氢气和氮气的cofe-ldhs/vmt复合催化剂及制备方法，具有如下优异效果：
20.通过本发明制备得到的cofe-ldhs/vmt复合材料可高效催化裂解尿素制备氢气和氮气，为尿素电解制备氢气和氮气工业化提供了思路。相比于传统甲烷蒸汽重整制备氢气
以及水电解制备氢气，所需能耗低，将有污染的尿素转化为无污染的氢气供人类使用，既解决了环境污染问题，又解决了能源危机。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1为cofe-ldhs/vmt复合催化剂、cofe-ldhs和vmt的xrd图谱。
23.图2为cofe-ldhs/vmt复合催化剂的tem图。
24.图3为不同时间的cofe-ldhs/vmt催化剂的uor性能图。
25.图4为不同比例的cofe-ldhs/vmt催化剂的uor性能图。
26.图5为不同温度的cofe-ldhs/vmt催化剂的uor性能图。
27.图6为cofe-ldhs/vmt催化剂的uor以及oer性能图。
28.图7为cofe-ldhs/vmt催化剂的her性能图。
29.图8为有无尿素对cofe-ldhs/vmt催化剂的her性能的影响。
30.图9为cofe-ldhs/vmt、cofe-ldhs催化剂和vmt的uor性能图。
31.图10为cofe-ldhs/vmt、cofe-ldhs和vmt催化剂在uor过程中的tafel图。
32.图11为cofe-ldhs/vmt催化剂在uor和oer过程中的tafel图。
33.图12为cofe-ldhs/vmt、cofe-ldhs催化剂和vmt在uor过程中的ecsa图。
34.图13为cofe-ldhs/vmt、cofe-ldhs催化剂和vmt在uor过程中的eis图。
35.图14为cofe-ldhs/vmt在her过程中的稳定性图。
36.图15为cofe-ldhs/vmt在uor过程中的稳定性图。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例及说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明实施例公开了一种cofe-ldhs/vmt复合催化剂的制备方法。
39.为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
40.下面，将结合具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的说明。
41.实施例1不同cofe摩尔比的cofe-ldhs/vmt催化剂的制备
42.采用水热法制备，首先在聚四氟乙烯内衬中加入准确称量的0.1455g co(no3)2·
6h2o、0.1455g fe(no3)3·
9h2o和0.6g(nh2)2co，随后加入40ml蒸馏水将其溶解。并在室温条件下超声搅拌30min直至上述混合物变得澄清透明，接着称取0.25g清洗过的膨胀蛭石分散于上述溶液中，最后将上述溶液转移到聚四氟乙烯的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱，于
100℃反应8h，反应结束后，待反应釜冷却之后打开反应釜，收集反应釜底部的绿色沉淀，并用蒸馏水以及乙醇对制备得到的沉淀洗涤若干次，以除去未反应的底物和杂质，最后将所得的产物在80℃烘干即可制备得到cofe-ldhs/vmt催化剂(记为co:fe为1:1)。
43.为了探究不同fe和co摩尔比的催化剂的催化性能，采用相同的方法制备了co:fe分别为1:2；1:3；2:1和3:1的cofe-ldhs/vmt催化剂。
44.实施例2同一温度不同合成时间的cofe-ldhs/vmt催化剂的制备
45.首先在聚四氟乙烯内衬中加入准确称量的0.1455g co(no3)2·
6h2o、0.1455g fe(no3)3·
9h2o和0.6g(nh2)2co，随后加入40ml蒸馏水将其溶解。并在室温条件下超声搅拌30min直至上述混合物溶解均匀，接着称取0.25g清洗过的膨胀蛭石分散于上述溶液中，最后将上述溶液转移到聚四氟乙烯的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱，在100℃反应6h，待反应结束后，待反应釜冷却之后打开反应釜，收集反应釜底部的绿色沉淀，并用蒸馏水以及乙醇对制备得到的沉淀洗涤若干次，以除去未反应的底物和杂质，最后将所得的产物在80℃烘干即可制备得到nico-ldhs/vmt催化剂。
46.为了探究合成时间对催化剂催化性能的影响，按照相同的方法制备得到了在100℃反应8h和10h的cofe-ldhs/vmt催化剂。
47.实施例3同一合成时间不同合成温度的cofe-ldhs/vmt催化剂的制备
48.首先在聚四氟乙烯内衬中加入准确称量的0.1455g co(no3)2·
6h2o、0.1455g fe(no3)3·
9h2o和0.6g(nh2)2co，随后加入40ml蒸馏水将其溶解。并在室温条件下超声搅拌30min直至上述混合物溶解均匀，接着称取0.25g清洗过的膨胀蛭石分散于上述溶液中，最后将上述溶液转移到聚四氟乙烯的高压反应釜中，放入鼓风干燥箱，于80℃反应8h，待反应结束后，待反应釜冷却之后打开反应釜，收集反应釜底部的绿色沉淀，并用蒸馏水以及乙醇对制备得到的沉淀洗涤若干次，以除去未反应的底物和杂质，最后将所得的产物在80℃烘干即可制备得到cofe-ldhs/vmt催化剂。
49.为了探究合成温度对催化剂催化性能的影响，按照相同的方法制备得到了100℃、120℃和140℃的cofe-ldhs/vmt催化剂。
50.随后我们将制备好的cofe-ldhs/vmt催化剂用于电解尿素裂解制备氢气，该过程使用的是三电极体系，我们通过cv，lsv等手段对催化剂催化裂解尿素的性能进行了测试，具体内容如下：
51.泡沫镍的预处理
52.首先将泡沫镍剪成面积为1cm
×
1cm，厚度为0.02cm左右的方块，用浓度为1mol/l的盐酸溶液超声洗涤10min以除去其表面的油渍和表面氧化物。然后用无水乙醇超声洗涤10min，最后用去离子水超声洗涤10min，放入真空干燥箱于80℃烘干备用。
53.工作电极的制备
54.所制备的工作电极均采用drop-casting滴涂法，详细的制备操作流程如下：
55.首先称取0.08g的cofe-ldhs/vmt催化剂，随后将其加入到5μl聚四氟乙烯和适量的乙醇溶液中进行分散，再加入准确称量的0.015g乙炔黑，随后将上述溶液进行密封处理之后，于室温条件下超声30min之后便得到了分散均匀的悬浊液。用移液枪在泡沫镍上涂抹上述悬浊液，用保鲜膜将瓶盖中涂抹好的工作电极进行密封处理，随后将其放入80℃真空干燥箱中烘干待测。
56.电化学性能测试
57.除了电化学阻抗谱之外的其余所有电化学测试均是在美国pine公司的wavedrive10型工作站上进行测试的，所用电解液分别为1m koh和1m koh+0.33m尿素溶液。在进行电化学测试前，以50mv s-1
的扫速扫描活化各电极28个循环，直到获得稳定的循环伏安曲线。线性扫描伏安法(lsv)曲线是在电解质溶液中以10mv s-1
的扫速获得的，但是由于电阻的存在，为了更好的去反应特性曲线，电位都转换成可逆氢电极电势(rhe)：
58.evs rhe＝evs hg/hgo+(0.095+0.059
×
ph)v。
59.过电位(η)，过电位可以反映催化剂尿素氧化反应催化活性，过电位越小，尿素氧化反应催化活性越好。
60.η(uor)＝evs rhe
–
0.37v
61.η(oer)＝evs rhe
–
1.23v
62.η(uor)＝0v
–
evs rhe
63.电化学阻抗谱(eis)测量在0.1-500000hz的频率范围内进行，在parstat 4000a电化学工作站上完成的。用10ma cm-2
的恒定电流密度记录计时电位。根据tafel方程η＝blogj+a拟合tafel图的线性区域，通过重新绘制极化曲线来确定tafel斜率。催化剂的电化学活性表面积(ecsa)由下式计算：
[0064][0065]
其中，c
dl
为双电层电容，在0-0.1vvs hg/hgo的非法拉第电位范围内通过cv曲线测试得到。根据电荷电流密度δj(＝j
anode-jcathode
)的变化曲线预测c
dl
，在每次扫描的单个cv周期中，通过电压范围的中间值来预测δj，然后绘制出电流密度与扫描速率的关系图。这条线的斜率是c
dl
的两倍。
[0066]
如图1得到的复合催化剂的xrd谱图，观测到了2theta＝8.3
°
；25.5
°
；33.6
°
；44.3
°
和54.1
°
的衍射峰，并将其依次指认为vmt的(001)；(022)；(13-1)；(005)和(13-5)晶面，同时观测到了位于2theta＝17.6
°
和26
°
的衍射峰，依次将其指认为feco-ldhs/vmt催化剂中feooh的(020))和(310)晶面，还观测到了2theta＝18.8
°
；36.7
°
和59.8
°
的衍射峰，并将其指认为了cofe-ldhs/vmt催化剂中co(oh)2的晶面。通过图1催化剂的谱图及cofe/ldhs、vmt的标准谱图，可以得出成功合成出了一种高性能的cofe-ldhs/vmt催化剂。总之，cofe-ldhs/vmt催化剂形成的这种具有特殊形貌的有趣结构，可以用于高效电解尿素制备氢气和氮气。
[0067]
如图2，为了对催化剂的微观构造进行探究，对其进行了tem表征，通过图2(a-c)的电镜图可以观测到cofe/ldhs催化剂与vmt之间有紧密的结合，这是因为蛭石层板带负电，cofe-ldhs带正电，所以二者可以通过超分子作用力紧密结合，形成一种特殊的结构。在图2c中观测到cofe-ldhs纳米球由一个个团聚的小球组成，这个大球的直径为80nm。总之，cofe-ldhs/vmt催化剂形成的这种具有特殊形貌的有趣结构，可以用于高效电解尿素。
[0068]
从图3中lsv数据可以看出cofe-ldhs/vmt催化剂(合成时间为8h)在电流密度为10ma
·
cm-2
的条件下，电位仅为1.4v，远低于cofe-ldhs/vmt(合成时间为6h)(1.41v，过电位为1.04v)、cofe-ldhs/vmt(合成时间为10h)(1.42v，过电位为1.05v)催化剂。证明该催化剂电解尿素活性最高，拥有电解尿素的活性位点数目最多。当合成时间为8h时，催化剂活性位
点数目最多，反应活化能垒最低。随着合成时间从6h增加到8h，该催化剂电解尿素过电位逐渐降低，表明催化剂中的活性位点随之增多，从而电解尿素活性增强。随着合成时间从8h增加到10h，该催化剂电解尿素过电位增大，催化剂中的活性位点随之降低，从而电解尿素活性减弱。综上所述，合成时间为8h为cofe-ldhs/vmt催化剂最佳合成时间。此外可以观测到合成时间从6h增加到8h，电位在1.4v-1.8v时候，电流会先增大再变平缓，再增加的趋势，这是因为oer和uor存在竞争，所以会出现这一现象，英国伦敦大学何冠杰教授课题组对这一现象通过机理表征进行了阐述。
[0069]
从图4中lsv数据可以看出cofe-ldhs/vmt催化剂(co:fe为1:1)在电流密度为10ma
·
cm-2
的条件下，电位仅为1.4v(过电位为1.03v)，远低于cofe-ldhs/vmt(co:fe为2:1)(1.42v，过电位为1.05v)、cofe-ldhs/vmt(co:fe为3:1)(1.41v，过电位为1.04v)、cofe-ldhs/vmt(co:fe为1:2)(1.45v，过电位为1.08v)和cofe-ldhs/vmt(co:fe为1:3)(1.43v，过电位为1.06v)催化剂。证明该催化剂电解尿素活性最高，拥有电解尿素的活性位点数目最多。当co:fe为1:1时，催化剂活性位点数目最多，反应活化能垒最低。随着fe元素恒定不变时候，co元素比例从1逐渐升高至3，该催化剂电解尿素过电位逐渐升高，表明催化剂中的活性位点随之减少，从而电解尿素活性减弱。随着co保持不变fe比例逐渐从1逐渐升高至3，该催化剂电解尿素过电位增大，催化剂中的活性位点随之降低，从而电解尿素活性减弱。综上所述，co:fe为1:1为cofe-ldhs/vmt催化剂最佳合成比例。此外可以观测到催化剂比例发生改变时，电位在1.4v-1.8v时候，电流会先增大再变平缓，再增加的趋势，这是因为oer和uor存在竞争，所以会出现这一现象，英国伦敦大学何冠杰教授课题组对这一现象通过机理表征进行了阐述。
[0070]
从图5中lsv数据可以看出cofe-ldhs/vmt催化剂(反应温度为120℃)在电流密度为10ma
·
cm-2
的条件下，电位仅为1.365v(过电位为0.995v)，远低于cofe-ldhs/vmt(反应温度为80℃)(1.43v，过电位为1.06v)、cofe-ldhs/vmt(反应温度为100℃)(1.40v，过电位为1.03v)和cofe-ldhs/vmt(反应温度为140℃)(1.41v，过电位为1.04v)催化剂。证明该催化剂电解尿素活性最高，拥有电解尿素的活性位点数目最多。当合成温度为120℃时，催化剂活性位点数目最多，反应活化能垒最低。随着合成温度从80增加到120℃时，该催化剂电解尿素过电位逐渐降低，表明催化剂中的活性位点随之增多，从而电解尿素活性增多。随着合成温度从120℃逐渐增大到140℃，该催化剂电解尿素过电位增大，催化剂中的活性位点随之降低，从而电解尿素活性减弱。综上所述，120℃为cofe-ldhs/vmt催化剂最佳合成温度。此外可以观测到催化剂温度发生改变时，电位在1.4v-1.8v时候，电流会先增大再变平缓，再增加的趋势，这是因为oer和uor存在竞争，所以会出现这一现象，英国伦敦大学何冠杰教授课题组对这一现象通过机理表征进行了阐述。其中在120和140℃这一现象最为明显，表明120℃和140℃制备的催化剂，uor和oer竞争最为激烈。
[0071]
采用线性扫描伏安法(lsv)对cofe-ldhs/vmt催化剂(co:fe为1:1，时间为8h，制备温度为120℃)电解尿素和析氧反应(oer)的性能进行了评价。如图6所示，在10ma
·
cm-2
的电流密度条件下，uor需要1.365v的电位(过电位为0.995v)，远小于oer所需的电位1.553v。这表明该催化剂拥有优异的电解尿素性能。
[0072]
如图7，为了探究cofe-ldhs/vmt催化剂电解尿素产生氢气的性能，在1mol/l koh和1mol/l koh+0.33mol/l尿素溶液中对其进行了her测试，我们发现仅仅在-0.1995v(过电
位为0.1995v)的电压条件下，电流可以达到10ma cm-2
，表明cofe-ldhs/vmt催化剂既可以高效电解尿素制备氢气(her反应)，同时可以高效电解尿素产生氮气(uor反应)。此外还可以通过图8观测到加入尿素与不加入尿素，在相同条件下电位仅仅相差0.0301v，证明尿素对cofe-ldhs/vmt催化剂制备氢气的性能没有影响。通过图2电镜结果可以看出制备的这种高性能的cofe-ldhs/vmt催化剂中存在cofe-ldhs和vmt之间存在相互作用，正是存在分子间的紧密结合，才能使得我们的cofe-ldhs/vmt催化剂高效电解尿素。
[0073]
采用线性扫描伏安法(lsv)对cofe-ldhs/vmt催化剂(co:fe为1:1，时间为8h，制备温度为120℃)、vmt和对cofe-ldhs催化剂(co:fe为1:1，时间为8h，制备温度为120℃)电解尿素的uor性能进行了评价。如图9所示，在10ma
·
cm-2
的电流密度条件下，cofe-ldhs/vmt需要1.365v的电位(过电位为0.995v)，远小于cofe-ldhs所需的电位(1.40v，过电位为1.03v)和vmt所需的电位(1.65v，过电位为1.28v)。这表明cofe-ldhs/vmt催化剂拥有优异的电解尿素性能，从而可以证明复合催化剂的性能与其结构密不可分。
[0074]
如图10，为了探究cofe-ldhs/vmt催化剂电解尿素动力学快慢程度，对其进行了tafel拟合数据分析，cofe-ldhs/vmt催化剂在uor测试过程中的tafel斜率(38.59mv/dec)远远小于cofe-ldhs(150.69.75mv/dec)和vmt(297.36mv/dec)催化剂，结果表明cofe-ldhs/vmt催化剂相比于cofe-ldhs催化剂拥有更快的反应动力学，从而能更高效的电解尿素。此外如图11还发现cofe-ldhs/vmt在oer测试过程中的tafel斜率(234.44mv/dec)远远大于在uor(38.59mv/dec)测试过程中，这与图9的lsv结果相一致，可以得出cofe-ldhs/vmt拥有优异的uor性能的结论。同时还表明cofe-ldhs/vmt在复合以后拥有更优异的反应动力学，从而可以降低uor反应过程中的能耗。这表明催化剂复合之后，uor性能有了质的飞跃，这为后续设计更高效催化剂提供了思路。
[0075]
为了探究cofe-ldhs/vmt(co:fe为1:1，时间为8h，制备温度为120℃)、vmt和cofe-ldhs(co:fe为1:1，时间为8h，制备温度为120℃)催化剂结构对uor活性的影响，在1mol/l koh+0.33mol/l尿素溶液对其进行了20-100mv
·
s-1
的循环伏安测试，如图12通过ecsa测试计算得到了cofe-ldhs/vmt催化剂的双层电容，进一步又估算得到了催化剂的活性比表面积。cofe-ldhs/vmt催化剂的活性比表面积(4.13mf
·
cm-2
)远远大于nico-ldhs(1.94mf
·
cm-2
)催化剂和vmt(2.91mf
·
cm-2
)，这与前面图9的lsv结果相一致，表明催化计nico-ldhs/vmt活性比表面积之大，能够高效的降解尿素，拥有更多暴露的表面催化反应活性位点以及拥有优异的的电催化性能。cofe-ldhs和vmt复合之后有效的提高了催化剂的比表面积，从而更易于电解尿素。
[0076]
此外还通过电化学阻抗谱(eis)测试对cofe-ldhs/vmt(co:fe为1:1，时间为8h，制备温度为120℃)和cofe-ldhs(co:fe为1:1，时间为8h，制备温度为120℃)催化剂和vmt电解尿素的性能进行了探究，如图13所示，cofe-ldhs/vmt催化剂的r
ct
仅仅为(9.3ω)，远远小于cofe-ldhs催化剂的r
ct
(16.2ω)和vmt的r
ct
(18.9ω)，这与图9的电解尿素性能相一致，表明制备出了一种高性能的复合催化剂nico-ldhs/vmt，以及通过图2的电镜结果可以看出，催化剂复合之后vmt与cofe-ldhs有相互作用，从而能增强催化剂活性，使其拥有更快的电荷转移效率，从而能高效电解尿素。
[0077]
如图14和15，为了探究cofe-ldhs/vmt催化剂电解尿素制备氮气以及氢气的稳定性，对其进行了计时电位(cp)测试，观测到cofe-ldhs/vmt催化剂在-10以及10ma cm-2
电流
密度条件下连续工作12h，对应的电压几乎没有任何损失，表明催化剂不仅能够高效稳定的电解尿素产生氮气(uor)，同时还能高效稳定的电解尿素产生氢气(her)。
[0078]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种cofe-ldhs/vmt复合催化剂，其特征在于，所述催化剂用于尿素氧化领域，可将尿素电氧化制备氢气与氮气。2.一种如权利要求1所述cofe-ldhs/vmt复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：1)将蛭石在超声中用去离子水清洗，除去杂质，干燥备用；2)将尿素、硝酸钴和硝酸铁于去离子水中搅拌溶解，取步骤1)清洗过的蛭石研磨后分散于混合液中，水热合成，待反应完成后，自然冷却至室温，过滤分离得到cofe修饰的蛭石水滑石复合材料；3)将步骤2)得到的蛭石水滑石复合材料用去离子水、乙醇清洗3～5次，直至溶液呈中性，随后在空气中干燥，即得所述cofe-ldhs/vmt复合催化剂。3.根据权利要求2所述的一种cofe-ldhs/vmt复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的水浴温度为100℃，搅拌时间为0.5h；水热合成反应温度为80℃-180℃，反应时间为6～72h。4.根据权利要求2所述的一种cofe-ldhs/vmt复合催化剂的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的干燥温度为80℃。

技术总结
本发明涉及一种CoFe-LDHs/VMT复合催化剂及其制备方法，属于电催化领域。通过本发明制备得到的CoFe-LDHs/VMT复合材料可高效催化裂解尿素制备氢气和氮气，为尿素电解制备氢气和氮气工业化提供了思路。相比于传统甲烷蒸汽重整制备氢气以及水电解制备氢气，所需能耗低，将有污染的尿素转化为无污染的氢气供人类使用，既解决了环境污染问题，又解决了能源危机。又解决了能源危机。又解决了能源危机。


技术研发人员：孙源 董方林
受保护的技术使用者：塔里木大学
技术研发日：2023.04.11
技术公布日：2023/8/1