碳布负载四氧化三钴复合材料的构筑及其电催化硝酸根还原制氨研究开题报告

1. 研究目的与意义

地下水中常见的污染物有硝酸盐，其浓度过高会造成生态环境的破坏甚至危害人类身体健康。氨（nh₃）作为无碳能源载体之一，是合成人工化肥和各种化学品中的关键原料。30年来人们不断尝试如何处理饮用水，为寻找有效解决水体中硝酸根离子污染问题的方法。近年来常采用去除硝酸根的方法主要分三类：物理化学法、生物法和催化法。经过多年研究对比发现，物理化学法、生物反硝化法和光催化法虽各有优点，但也有各自无法避免的缺点。基于此背景，电催化法因其独特的优点而颇具研究价值。首先，电化学硝酸盐还原法最大的优点在于清洁、绿色，通过调节电化学测试过程中的参数至合适值，可以高效可控地将硝酸盐转化为无毒产物，如氨和羟胺。第二，电化学反应过程的主要驱动力是电能，而电能是可再生资源，相比于其他方法优势明显。在电化学还原反应中，电子作为还原剂，既不会引入杂质，也不会造成环境污染。最后，通过电催化实现硝酸根还原的方法可以较容易地整合到现有的工艺流程中，在大规模应用中具有潜力。

贵金属由于储量低在中性介质中高效电催化还原硝酸产氨：在中性介质中将fe和cu掺杂到类似水杉状的纳米cufe晶体中，制出一种高效的硝酸根还原催化剂。mcenaney等人研究了在不同的电化学条件（如ph，硝酸盐浓度和外加电位等）对钛阴极硝酸盐选择性还原为氨的影响、成本高等原因而严重制约了它们在生产生活中的应用。非贵金属与其相比，价格低廉且储蓄量丰富而具有独特优势。非贵金属催化剂包括fe、mo、cu、ni、co和v等，包括其氧化物，碳化物，氮化物等。为了寻找高效的非贵金属催化剂催化电化学硝酸根还原制氨而进行了大量的研究，其中wang等人通过制备水杉状纳米晶铁掺杂铜的催化剂，研究其，其在催化过程中电流密度超过了22 macm^-2。ti电极作为催化剂其优势在于优异的耐腐蚀性以及对析氢反应选择性较差，提供了较大的工作窗口，可以高选择性地实现硝酸根阴离子还原。在连续工作八小时后法拉第效率较稳定仍然保持较高水平，具有较好的稳定性。近年来，非贵金属催化剂因成本低、活性高、应用前景广阔等优点，在硝酸根还原领域受到越来越多的关注。

co基材料(如四氧化三钻co₃o₄)被认为在替代贵金属基催化剂中具有良好前景，但co₃o₄的电导率不高，且难以实现对催化剂的分离、再回收问题。制备一种新型四氧化三钻复合催化材料，构筑一种催化性能稳定、电导率更高，更为高效、便于回收再利用的催化材料，并将其用于催化降解污染物等。对四氧化三钻及其复合物的研究方法有很多有水热法、模板法、沉淀法等研究方法，且通过掺杂、复合、改性制备不同形貌不同载体的四氧化三钻及其复合物，他们在不同程度上改进了传统催化剂的不足。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：以硝酸钴、尿素、碳布等为原料，首先采用水热法在碳布上负载氢氧化钴纳米阵列（co(oh)₂），接着将co(oh)₂前驱体置于管式炉中，通过在特定气氛下热解得到co₃o₄/cc复合材料。采用xrd、xps、sem、tem等手段研究水热反应时间、温度等因素对co₃o₄/cc复合材料的结构和形貌的影响，推导材料的形貌形成机制。

采用sem、hr-tem等手段对所制备材料的表面结构进行分析，结合电化学性能分析，获得最佳裸露晶面结构的信息。重点考察添加剂种类和加入量对复合材料电催化性能的影响，深入研究反应过程中具有最佳裸露晶面的生长机制。

3. 研究的方法与步骤

本实验采用的研究方法：

（1）水热法：以硝酸钴、尿素、碳布等为原料，在碳布上负载氢氧化钴纳米阵列（co(oh)₂）；

（2）xrd、xps晶体结构表征：通过x射线衍射，表征样品晶体表面结构；

4. 参考文献

[1]guo y, zhang r, zhang s, et al. pd doping-weakened intermediate adsorption to promote electocatalytic nitrate reduction on tio₂ nanoarrays for ammonia production and energy supply with zinc–nitrate batteries. energy environmental science 2021, 14 (7), 3938-3944.

[2]zhang r, guo y, zhang s, et al. efficient ammonia electrosynthesis and energy conversion through a zn‐nitrate battery by iron doping engineered nickel phosphide catalyst. advanced energy materials 2022, 12 (13), 2103872.

[3]fu j, yao f, xie t, et al. in-situ growth of needle-like co₃o₄ on cobalt foam as a self-supported cathode for electrochemical reduction of nitrate. separation and purification technology 2021, 276.

5. 计划与进度安排

（1）第1周~第4周，查阅资料，制定实验方案与计划，准备开题报告；外文论文翻译，论文前言部分的撰写；