Page 128 - 《精细化工》2023年第2期

·350· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 40 卷

（OER）和阴极析氢（HER）两个半反应。其中，OER 1 实验部分
[3]
是一个缓慢而复杂的电子转移过程 ，需要比 HER 更
高的电势。利用更易氧化的阳极反应来辅助 OER 是当 1.1 主要试剂与仪器
前研究的一个方向。将尿素〔CO(NH 2) 2〕、甲醇、甘 CS(NH 2 ) 2 、Co(NO 3 ) 2 •6H 2 O、FeSO 4 •7H 2 O、KOH、
[4]
油、肼等作为电解质添加到电解液中 ，可降低阳极 尿素，分析纯，无水乙醇（质量分数≥99.7%）、HCl（质
的反应电势。尿素存在于农业排水以及人类和动物 量分数 37%），国药集团化学试剂有限公司。
尿液中，且尿素氧化反应（UOR）的理论过电势为 利用 D/MAX-2500 型 X 射线衍射仪（日本理
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0.37 V，低于 OER 的 1.23 V 。然而，UOR〔CO(NH 2) 2+ 学公司，Cu 靶，K α ，λ=0.15406 nm）进行物相和
–
6OH →N 2+5H 2O+ CO 2+6e〕涉及 6 电子转移，迫切需 晶体结构表征，扫描速度为 10 (°)/min，2θ 为 10°~
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要催化剂来加速多电子耦合进程 。通常，废水中尿 80°。采用 Thermo Scientific Escalab 250Xi 型 X 光
素含量具有波动性，因此，开发高效价廉且适应性强 电子能谱仪（美国赛默飞世尔公司）测试电极表面
的催化电极十分必要。 的元素组成和价态。利用 JSM-7610F 型场发射扫
[7]
过渡金属化合物是电催化剂的研究热点之一 。 描电子显微镜和 JEOL-2100F 透射电子显微镜以及
其中，硫族过渡金属化合物因具有良好的活性和对 能谱仪（日本电子株式会社）进行形貌和元素分布
氢的强亲和力而备受关注，但该系列催化剂对氢的 测试。
[8]
[9]
解吸附能力差 。研究者们通过构建异质界面 或杂 1.2 电极的制备
原子掺杂 [10] 等多种策略来提高其催化性能。FU 等 [11] 将泡沫镍（d=1.5 mm，孔隙率 98%，昆山广嘉
源新材料有限公司）裁成 10 mm×40 mm，依次用
以硫脲和钼酸钠为原料，1050 ℃氢气氛中处理 30 min
1 mol/L HCl、无水乙醇、去离子水超声清洗 0.5 h
的泡沫镍（NF）为基底，在 180 ℃、24 h 的水热条
后，在 60 ℃烘箱中恒温干燥 6 h，记作 NF。
件下合成 MoS 2 /Ni 3 S 2 ，通过表征和电化学测试证实
将 0.004 g（0.05 mmol）CS(NH 2 ) 2 溶于 35 mL
异质结构有利于氢和含氧中间体的化学吸附，可提
去离子水中，超声处理 10 min 后将溶液倒入 30 mL
高析氧效率，但预处理泡沫镍的过程能耗高、制备
聚四氟乙烯内胆中，再放入 1 片 NF，密封不锈钢高
环境要求严苛，不利于扩大生产。此外，过渡金属
压反应釜，升温至 100 ℃反应 4 h。反应结束后，
的层状双氢氧化物（LDHs）催化剂具有制备重复性
好、组分可调等优点，但其导电性差且易团聚 [12] 。 待反应釜自然冷却至室温，取出内胆中的 NF，用去
研究表明，构筑分级结构 [13] 或与导电材料耦合 [14] 是 离子水和无水乙醇交替清洗 3 次后，置于恒温干燥
解决此类问题的有效策略。CHEN 等 [15] 以 NH 4 F、 箱（60 ℃，6 h）中烘干，得到 NF@Ni 3 S 4 。
将 0.026 g（0.1 mmol）Co(NO 3) 2•6H 2O 和 0.056 g
Co(NO 3 ) 2 •6H 2 O、FeSO 4 •7H 2 O 和尿素为原料，采用
（0.2 mmol）FeSO 4 •7H 2 O 溶于 50 mL 去离子水中，
水热法（120 ℃，10 h）在泡沫镍上合成 Co 4 Fe 2 -
超声溶解 10 min 形成均匀溶液，以 Pt 片电极为对电
LDHs/Co(OH) 2 分级结构电极，该电极有效避免了
极（CE），饱和甘汞电极为参比电极（RE），制备的
LDHs 的团聚，在 1 mol/L KOH 电解液中驱动
2
50 mA/cm 电流密度仅需 359 mV 过电势，并证实原 NF@Ni 3S 4 为工作电极（WE），在–1.0 V 电压下进行
300 s 电化学沉积反应，与制备的 NF@Ni 3S 4 后续清洗
位生长法制备一体电极可避免涂覆过程中胶黏剂造
和干燥条件一致，制备得到 NF@Ni 3 S 4 @CoFe-LDHs
成活性位点减少。在众多候选基底中，泡沫镍具有
电极（简称 NF@Ni 3 S 4 @CoFe）。根据 NF 在负载前
良好的商用性，其良好的导电性和丰富的通道可以
后质量变化得到 NF@Ni 3S 4@CoFe 的催化剂负载量为
为催化剂的原位生长提供巨大的比表面积。
2
2.2 mg/cm 。该电极的具体制备流程如图 1 所示。
基于此，本研究拟在泡沫镍基底上原位构筑的

Ni 3 S 4 纳米片为核、CoFe-LDHs 为壳的核壳结构
NF@Ni 3 S 4 @CoFe-LDHs 一体电极，研究其尿素辅助
碱性电解水催化性能。该电极将具有 3D 异质分级
纳米结构，Ni 3 S 4 纳米片确保稳定和有效的电子传输
路径，利用 CoFe-LDHs 增加电极的比表面积和催化
活性位点；非均相界面的合理构建将对调节活性中

心的电子分布和优化电极的化学吸附能力起到重要
图 1 NF@Ni 3 S 4 @CoFe 的制备流程示意图
作用，有利于提升电解水的效率，为开发用于尿素
Fig. 1 Schematic diagram of preparation process of
辅助碱性电解水的催化电极提供实验支撑。 NF@Ni 3 S 4 @CoFe