表面活性剂辅助溶胶-凝胶法合成NiO纳米结构用于尿素电催化氧化

武 娜

（吕梁学院化学化工系，山西吕梁 033000）

1 材料和方法

采用表面活性剂辅助溶胶-凝胶法合成了NiO 纳米粒子。将500 mg 硝酸镍（Ⅱ）溶解在去离子水和乙醇（40/20 mL 水/乙醇）溶液中，搅拌10 min 达到澄清状态。将300 mg PEG 和100 mg 表面活性剂（SDS）逐渐添加到先前制备的溶液中，并在80℃下搅拌保存。加入氨水至pH 为10，搅拌2 h，静置24 h。过滤制备的胶体溶液，用水和丙酮洗涤，在60℃下干燥，然后在450℃下以5℃/min 的速率煅烧，温度升至650℃后保温20 min，自然冷却到室温，得到的样品编码为NiO-NPs。通过循环伏安法（CV）测量评估尿素的电催化氧化。

2 结果和讨论

2.1 NiO-NPs表征

本研究中引入了纳米结构的NiO 作为UFCs 的阳极材料和尿素电氧化的电催化剂。通过SEM、TEM、BET 和XRD 分析对所制备的NiO-NPs 材料进行研究。图1 为NiO-NPs 的SEM 形 态，图2 为 制 备 的NiONPs 材料TEM 图像。合成的NiO-NPs 材料XRD 分析如图3所示，观察到2θ 角特征峰峰值为37.348°（111）和43.426°（200），为典型的面心立方体晶相，相对强度分别为69.10%和100%。XRD 测量证实了表面活性剂辅助溶胶-凝胶方法成功合成了NiO-NPs。

图1 SEM图像

图2 TEM图像

图3 XRD分析

通过测量N2-吸附/脱附等温线来研究BET 表面积分析，如图4 所示。在77K 下，NiO-NPs 的N2吸附曲线与脱附曲线不一致，它们的特性几乎是中孔结构预期的（Ⅳ）型特征[1]。计算了NiO-NPs 的BET表面积，发现其为59.1912 m2/g。因此，合成的NiONPs 材料是介孔的，并且具有较大的表面积，可以用作尿素电氧化的阳极材料和非贵金属电催化剂。最后，通过BET、TEM、SEM 和XRD 等测试手段证实了纳米结构、孔隙率，以及证实了NiO-NPs 材料的成功制备。

图4 制备的NiO-NPs材料在77K下的氮吸附-解吸等温线

2.2 电化学评价

研究了合成的NiO-NPs 材料的电催化尿素氧化，图5为在1.0 mol/L KOH 中不存在和存在0.1 mol/L 尿素的情况下NiO-NPs 电极的CV。在氧化/还原过程中，分别在0.399 V 和0.319 V 的无尿素曲线中可以检测到氧化-还原峰。当电极具有Ni 纳米材料时，这些峰值是CV 的预期峰值，并且可以通过Ni2+/Ni3+的氧化还原对来解释。氧化过程包括由Ni（OH）2形成NiOOH，而阴极氧化过程包括将NiOOH 还原为

图5 在有和没有0.1 mol/L 尿素的KOH介质中描速率下的CV

Ni（OH）2[2]。0.10 mol/L 尿素的CV 与无尿素的情况相比具有不同的氧化行为。阳极电流的强烈增强可以被感知，并证实了合成的NiO-NPs 可以作为电催化尿素氧化的电催化剂。阳极过程从0.3498 V 开始，然后急剧增加到0.4797 V。在氧化过程中，产生的电流从0.3498 V 时的2.177 mA/cm2大幅提高到0.4797 V 时的61.558 mA/cm2。合成的NiO-NPs 是尿素电催化氧化的电活性位点，通过可能形成的NiOOH 作为尿素吸附的更多活性位点。因此，在1.0 mol/L KOH 的纯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 的电压下，还原和氧化都存在可接受的峰。这些氧化还原峰可能是由于NiOOH 的形成。当扫描速率从5 mV/s 增加到200 mV/s 时，两条氧化还原曲线的电流密度值急剧增强。事实上，Ni在KOH 中的氧化是分步骤发生的，其开始于Ni 向Ni（OH）2的转化，Ni 可被氧化为b-NiOOH，然后在Ni 电极处转移为c-NiOOH。氧化还原峰处的电流值随着扫描速率的增加而增加，这证实了RDS 在NiO-NPs 表面具有扩散特性。

对于商用燃料电池，可以通过增加燃料浓度来减少电池体积。尿素浓度对电催化效率的影响如图6所示。在所有研究浓度下，随着尿素浓度的增加，电流峰值极大增强。引入的NiO-NPs 的高电催化性能可以通过阴极曲线和阳极曲线上的氧化峰来证实。这种特性可以通过吸附的尿素物质或中间体在最佳电位下的氧化来解释。在0.1 mol/L 尿素+1 mol/LKOH 下，以5~200 mV/s 的不同扫描速率研究了电催化尿素氧化的CV，如图7所示，观察到电流峰值得到了显著改善，并且随着扫描速率的增加而变得更宽。此外，峰电压没有变化，这表明尿素电催化氧化动力学的稳定性。CV 面积的增加表明RDS 具有扩散特性。这些结果证实了所合成的NiO-NPs 材料对尿素电氧化具有高的电催化效率。

图6 从0.01~2.0 mol/L 尿素的不同尿素浓度的CV

图7 在1.0 mol/L KOH中的0.1 mol/L尿素从5~200 mV/s的扫描速率下的CV

3 结论

利用表面活性剂辅助的溶胶-凝胶方法设计了新型NiO-NPs，并对其进行了尿素电催化氧化评价。SEM、TEM、XRD 和BET 分析证明了多孔纳米结构的成功形成。所合成的NiO-NPs 的电催化行为显示出巨大的功效。值得注意的是，阳极电流随着尿素剂量的增加而显著增加，最高可达2.0 mol/L。这种高的电催化阳极电流显示了NiO-NPs 作为新型尿素电氧化电催化剂的性能。此外，所开发的NiO-NPs 在染料敏化太阳能电池、太阳能驱动的水蒸发等方面具有潜在的应用。