表面活性劑輔助溶膠-凝膠法合成NiO納米結構用于尿素電催化氧化

武 娜

（呂梁學院化學化工系，山西呂梁 033000）

1 材料和方法

采用表面活性劑輔助溶膠-凝膠法合成了NiO 納米粒子。將500 mg 硝酸鎳（Ⅱ）溶解在去離子水和乙醇（40/20 mL 水/乙醇）溶液中，攪拌10 min 達到澄清狀態。將300 mg PEG 和100 mg 表面活性劑（SDS）逐漸添加到先前制備的溶液中，并在80℃下攪拌保存。加入氨水至pH 為10，攪拌2 h，靜置24 h。過濾制備的膠體溶液，用水和丙酮洗滌，在60℃下干燥，然后在450℃下以5℃/min 的速率煅燒，溫度升至650℃后保溫20 min，自然冷卻到室溫，得到的樣品編碼為NiO-NPs。通過循環伏安法（CV）測量評估尿素的電催化氧化。

2 結果和討論

2.1 NiO-NPs表征

本研究中引入了納米結構的NiO 作為UFCs 的陽極材料和尿素電氧化的電催化劑。通過SEM、TEM、BET 和XRD 分析對所制備的NiO-NPs 材料進行研究。圖1 為NiO-NPs 的SEM 形 態，圖2 為 制 備 的NiONPs 材料TEM 圖像。合成的NiO-NPs 材料XRD 分析如圖3所示，觀察到2θ 角特征峰峰值為37.348°（111）和43.426°（200），為典型的面心立方體晶相，相對強度分別為69.10%和100%。XRD 測量證實了表面活性劑輔助溶膠-凝膠方法成功合成了NiO-NPs。

圖1 SEM圖像

圖2 TEM圖像

圖3 XRD分析

通過測量N2-吸附/脫附等溫線來研究BET 表面積分析，如圖4 所示。在77K 下，NiO-NPs 的N2吸附曲線與脫附曲線不一致，它們的特性幾乎是中孔結構預期的（Ⅳ）型特征[1]。計算了NiO-NPs 的BET表面積，發現其為59.1912 m2/g。因此，合成的NiONPs 材料是介孔的，并且具有較大的表面積，可以用作尿素電氧化的陽極材料和非貴金屬電催化劑。最后，通過BET、TEM、SEM 和XRD 等測試手段證實了納米結構、孔隙率，以及證實了NiO-NPs 材料的成功制備。

圖4 制備的NiO-NPs材料在77K下的氮吸附-解吸等溫線

2.2 電化學評價

研究了合成的NiO-NPs 材料的電催化尿素氧化，圖5為在1.0 mol/L KOH 中不存在和存在0.1 mol/L 尿素的情況下NiO-NPs 電極的CV。在氧化/還原過程中，分別在0.399 V 和0.319 V 的無尿素曲線中可以檢測到氧化-還原峰。當電極具有Ni 納米材料時，這些峰值是CV 的預期峰值，并且可以通過Ni2+/Ni3+的氧化還原對來解釋。氧化過程包括由Ni（OH）2形成NiOOH，而陰極氧化過程包括將NiOOH 還原為

圖5 在有和沒有0.1 mol/L 尿素的KOH介質中描速率下的CV

Ni（OH）2[2]。0.10 mol/L 尿素的CV 與無尿素的情況相比具有不同的氧化行為。陽極電流的強烈增強可以被感知，并證實了合成的NiO-NPs 可以作為電催化尿素氧化的電催化劑。陽極過程從0.3498 V 開始，然后急劇增加到0.4797 V。在氧化過程中，產生的電流從0.3498 V 時的2.177 mA/cm2大幅提高到0.4797 V 時的61.558 mA/cm2。合成的NiO-NPs 是尿素電催化氧化的電活性位點，通過可能形成的NiOOH 作為尿素吸附的更多活性位點。因此，在1.0 mol/L KOH 的純溶液中研究了由合成的NiO-NPs 材料形成NiOOH，在0.3298 V 和0.3998 V 的電壓下，還原和氧化都存在可接受的峰。這些氧化還原峰可能是由于NiOOH 的形成。當掃描速率從5 mV/s 增加到200 mV/s 時，兩條氧化還原曲線的電流密度值急劇增強。事實上，Ni在KOH 中的氧化是分步驟發生的，其開始于Ni 向Ni（OH）2的轉化，Ni 可被氧化為b-NiOOH，然后在Ni 電極處轉移為c-NiOOH。氧化還原峰處的電流值隨著掃描速率的增加而增加，這證實了RDS 在NiO-NPs 表面具有擴散特性。

對于商用燃料電池，可以通過增加燃料濃度來減少電池體積。尿素濃度對電催化效率的影響如圖6所示。在所有研究濃度下，隨著尿素濃度的增加，電流峰值極大增強。引入的NiO-NPs 的高電催化性能可以通過陰極曲線和陽極曲線上的氧化峰來證實。這種特性可以通過吸附的尿素物質或中間體在最佳電位下的氧化來解釋。在0.1 mol/L 尿素+1 mol/LKOH 下，以5~200 mV/s 的不同掃描速率研究了電催化尿素氧化的CV，如圖7所示，觀察到電流峰值得到了顯著改善，并且隨著掃描速率的增加而變得更寬。此外，峰電壓沒有變化，這表明尿素電催化氧化動力學的穩定性。CV 面積的增加表明RDS 具有擴散特性。這些結果證實了所合成的NiO-NPs 材料對尿素電氧化具有高的電催化效率。

圖6 從0.01~2.0 mol/L 尿素的不同尿素濃度的CV

圖7 在1.0 mol/L KOH中的0.1 mol/L尿素從5~200 mV/s的掃描速率下的CV

3 結論

利用表面活性劑輔助的溶膠-凝膠方法設計了新型NiO-NPs，并對其進行了尿素電催化氧化評價。SEM、TEM、XRD 和BET 分析證明了多孔納米結構的成功形成。所合成的NiO-NPs 的電催化行為顯示出巨大的功效。值得注意的是，陽極電流隨著尿素劑量的增加而顯著增加，最高可達2.0 mol/L。這種高的電催化陽極電流顯示了NiO-NPs 作為新型尿素電氧化電催化劑的性能。此外，所開發的NiO-NPs 在染料敏化太陽能電池、太陽能驅動的水蒸發等方面具有潛在的應用。