一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法

1.本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法。


背景技术：

2.随着资源过度消耗，环境问题日益突出，贵金属作为一种珍贵的不可再生资源，其储量较少。目前我国回收稀有与贵重金属的方法有电解法、化学还原法和火枪吹灰法等等，而这些方法工序复杂，回收成本高昂，尚未建立起循环利用的良性循环体系。对废弃物中的稀有与贵重金属进行有效的回收利用，不仅可以减少我国金属资源的消耗，同时还可以降低对环境的危害，具有显著的经济和环境效益。太阳能是清洁、高效、可持续的“绿色能源”的一种，取之不尽，是缓解能源紧张又能保护环境的新型能源。同时具有光催化功能的半导体材料在光电转化中较为常见。氧化锌具有廉价易得、良好的可控性和高稳定性等优点，在酸性或碱性条件下都能发挥较好的催化性能，因此在光催化方面应用较广。当zno光阳极被能量大于或等于带隙的光子激发时，价带中的电子被激发到导带，形成光生空穴和光生电子，光生空穴参与阳极的oer，光生电子通过外部电路到达阴极进行金属离子的还原反应。这种无需施加外加电压，通过光照阳极，即可在阴极沉积收集贵金属钯的方法，进一步拓宽了对可再生能源的利用，其在通过光致沉积方法降低回收成本的同时也具备流程简单、环境友好的优点，在未来具有大规模工业应用前景。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明提供一种利用光阳极接收太阳能并同时在阴极沉积出贵金属钯，从而实现贵金属钯无污染回收的方法。它是一种新的太阳能利用形式，为太阳能储存转化和传统金属回收提供了新的思路。
4.本发明采用的技术方案为：
5.一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，包括如下步骤：
6.1)于柱型电解槽的阳极室中加入na2so4溶液，于柱型电解槽的阴极室中加入pd(no3)2溶液，阳极室和阴极室之间的连接管道中设有质子膜；
7.2)将zno光电极作为阳极置于柱型电解槽的阳极室中，将导电基底作为阴极置于柱型电解槽的阴极室中，用导线将zno光电极和导电基底连接；
8.3)用太阳光直接照射zno光电极20-120分钟，在阴极的导电基底上沉积出单质金属钯。
9.进一步的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，步骤1)中，所述na2so4溶液的浓度为0.1-2mol/l。
10.进一步的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，步骤1)中，所述pd(no3)2溶液的质量浓度为0.005-5％。
11.进一步的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，步骤2)中，所述导电基底为纯的fto导电玻璃基底。
12.进一步的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，步骤3)中，所述太阳光直接照射强度为50-200mw
·
cm-2
。
13.进一步的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，步骤2)中，所述zno光电极的制备方法包括如下步骤：
14.1)将zn(no3)2·
2h2o的乙醇溶液滴在fto导电玻璃的导电侧，滴完后将该导电玻璃放入烘箱中烘干，重复上述步骤三次；将得到的含有zn元素的fto导电玻璃放入马弗炉中，在300-650℃下退火10-25min，形成zno晶体，冷却至室温；
15.2)将含有zn(no3)2·
2h2o和六亚甲基四胺的混合液倒入放有步骤1)得到的fto导电玻璃基底的反应釜中，将反应釜放于烘箱中，在90-120℃下反应3-6h，冷却至室温，洗涤，干燥，得zno光电极。
16.更进一步的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，步骤1)中，所述zn(no3)2·
2h2o的乙醇溶液的浓度为0.005mol/l。
17.更进一步的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，步骤2)中，所述zn(no3)2·
2h2o和六亚甲基四胺的摩尔浓度比为0.05-0.3:0.1-0.6。
18.优选的，上述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，所述zn(no3)2·
2h2o和六亚甲基四胺的摩尔浓度比为1:2。
19.本发明的有益效果为：
20.1、本发明方法利用了清洁无污染的太阳能，避免了额外电能的使用，减少了因火力发电而造成的环境压力。
21.2、本发明方法直接将太阳能转化为化学能，为太阳能的储存和转化提供了新的想法。
22.3、本发明方法在阴极上沉积出贵金属钯，在一定程度上可以缓解能源短缺问题。
附图说明
23.图1是zno光电极上的zno薄膜(a)和阴极导电基底上沉积的单质钯(b)的电镜扫描图。
24.图2是fto导电玻璃基底以及沉积物单质钯的xrd图。
25.图3是zno光电极上的zno薄膜的xrd图。
26.图4是zno光电极上的zno薄膜的紫外-可见漫反射光谱图。
27.图5是zno光电极在模拟太阳光下沉积金属钯时测得的i-t特性曲线图。
28.图6是光化学电池性能测试前后阴极导电基底的对照图。
29.图7是光化学电池结构示意图，其中，1：柱型电解槽，1-1：阳极室，1-2：阴极室，2：质子膜，3：zno光电极，4：纯的fto导电玻璃基底，5：导线。
30.图8是光化学电池实物图。
具体实施方式
31.实施例1利用太阳能直接沉积金属钯的方法
32.(一)方法如下
33.1、zno光电极的制备：
34.1)将0.005mol/l zn(no3)2·
2h2o的乙醇溶液滴在fto导电玻璃的导电侧，滴完后将导电玻璃放入烘箱中，60℃下至烘干，重复上述步骤三次；将得到的含有zn元素的fto导电玻璃放入马弗炉中，450℃下退火15min，形成zno晶体，冷却至室温；
35.2)将含有0.1mol/l zn(no3)2·
2h2o和0.2mol/l的六亚甲基四胺(hmt)的混合液倒入放有步骤1)得到的fto导电玻璃基底的反应釜中，将反应釜放于烘箱中，在95℃下反应4h，冷却至室温，洗涤，干燥，得到表面覆有zno薄膜的zno光电极。
36.2、光化学电池的制备：
37.光化学电池的结构示意图如图7，实物图如图8。
38.1)于柱型电解槽(1)的阳极室(1-1)中加入50ml浓度为0.5mol/l的na2so4溶液；于柱型电解槽(1)的阴极室(1-2)中加入50ml质量浓度为0.01％的pd(no3)2溶液；阳极室(1-1)和阴极室(1-2)之间的连接管道中设有质子膜(2)；
39.2)将zno光电极(3)作为阳极置于柱型电解槽的阳极室(1-1)中，将纯的fto导电玻璃基底(4)作为阴极置于柱型电解槽的阴极室(1-2)中，用导线(5)将zno光电极和纯的fto导电玻璃基底(4)连接；
40.3)用光强度为120mw
·
cm-2
的模拟太阳光照射zno光电极60分钟，在阴极的纯的fto导电玻璃基底(4)上沉积出单质金属钯。
41.(二)性能检测
42.1)电镜扫描
43.将制备的zno光电极和阴极导电基底上沉积的单质钯分别用电子显微镜扫描，并对zno光电极上的zno薄膜和单质钯的形貌进行表征，结果如图1。由图1a可见，制备的zno光电极，可以看出zno纳米阵列由垂直于fto衬底的纳米棒形成，其表面具有规则的六边形边缘结构。由图1b可见，沉积出的单质钯呈现颗粒状并紧密排列在fto基底上。
44.2)xrd测试
45.对fto导电玻璃基底以及沉积物进行了表征，结果如图2。对fto导电玻璃基底进行了表征，fto导电玻璃基底在2θ＝26.6
°
、33.8
°
、37.8
°
、51.8
°
、61.7
°
、65.7
°
处有六个衍射峰，分别对应于二氧化锡(jcpds-no.46-1088)的(110)、(101)、(200)、(211)、(310)、(301)衍射面。对沉积出的物质进行了表征，沉积物在2θ＝40.1
°
、46.7
°
、68.1
°
处有3个衍射峰，分别对应于钯(jcpds-no.05-0681)的(111)、(200)、(220)衍射面。
46.对zno光电极进行了表征，结果如图3。对zno光电极进行了表征，zno光电极在2θ＝31.8
°
、34.4
°
、36.3
°
、47.5
°
、56.6
°
、62.9
°
、68.0
°
、69.1
°
处有8个衍射峰，分别对应于氧化锌(jcpds-no.36-1451)的(100)、(002)、(101)、(102)、(110)、(103)、(112)、(201)衍射面。
47.3)紫外-可见漫反射光谱检测
48.对氧化锌薄膜进行了紫外-可见漫反射测试，结果如图4所示。
49.由图4可知，氧化锌的吸收边为420nm，光吸收主要集中在紫外区。
50.4)光化学电池性能测试
51.对氧化锌薄膜进行测试，结果如图5和图6所示。图5是zno光电极在模拟太阳光下沉积金属钯时测得的i-t特性曲线。由图5可见，在模拟太阳光照射zno薄膜时，zno光电极的电流密度稳定在0.13-0.15ma/cm2之间。图6是在模拟太阳光照射zno光电极60分钟的条件下，阴极导电基底上的前后对照图。由图6可见，60分钟后，在阴极的导电基底上有单质钯析出。

技术特征：
1.一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)于柱型电解槽的阳极室中加入na2so4溶液，于柱型电解槽的阴极室中加入pd(no3)2溶液，阳极室和阴极室之间的连接管道中设有质子膜；2)将zno光电极作为阳极置于柱型电解槽的阳极室中，将导电基底作为阴极置于柱型电解槽的阴极室中，用导线将zno光电极和导电基底连接；3)用太阳光直接照射zno光电极20-120分钟，在阴极的导电基底上沉积出单质金属钯。2.根据权利要求1所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，步骤1)中，所述na2so4溶液的浓度为0.1-2mol/l。3.根据权利要求1所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，步骤1)中，所述pd(no3)2溶液的质量浓度为0.005-5％。4.根据权利要求1所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，步骤2)中，所述导电基底为纯的fto导电玻璃基底。5.根据权利要求1所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，步骤3)中，所述太阳光直接照射强度为50-200mw
·
cm-2
。6.根据权利要求1所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，步骤2)中，所述zno光电极的制备方法包括如下步骤：1)将zn(no3)2·
2h2o的乙醇溶液滴在fto导电玻璃的导电侧，滴完后将该导电玻璃放入烘箱中烘干，重复上述步骤三次；将得到的含有zn元素的fto导电玻璃放入马弗炉中，在300-650℃下退火10-25min，形成zno晶体，冷却至室温；2)将含有zn(no3)2·
2h2o和六亚甲基四胺的混合液倒入放有步骤1)得到的fto导电玻璃基底的反应釜中，将反应釜放于烘箱中，在90-120℃下反应3-6h，冷却至室温，洗涤，干燥，得zno光电极。7.根据权利要求6所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，步骤1)中，所述zn(no3)2·
2h2o的乙醇溶液的浓度为0.005mol/l。8.根据权利要求6所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，步骤2)中，所述zn(no3)2·
2h2o和六亚甲基四胺的摩尔浓度比为0.05-0.3:0.1-0.6。9.根据权利要求8所述的一种利用太阳能直接沉积金属钯的方法，其特征在于，所述zn(no3)2·
2h2o和六亚甲基四胺的摩尔浓度比为1:2。

技术总结
本发明公开一种利用太阳能催化光阳极进而在阴极导电基底上沉积回收贵金属钯的方法，采用的技术方案是：将一个柱形的电解槽装置分为一半阳极室一半阴极室，在阳极室中加入Na2SO4溶液，在阴极室中加入Pd(NO3)2溶液，两者通过质子交换膜隔绝；将ZnO光电极作为阳极放入到阳极室中，同时将导电基底作为阴极放入到阴极室中，用外接导线将阳极与阴极相连；用太阳光直接照射ZnO光电极一段时间。本发明的方法，在使用光照射光电极一段时间后单质金属钯会在导电基底上被沉积出来。这种使用太阳照射、无需外加电压即可沉积回收贵金属钯的方法可以为太阳能储存转化和传统金属回收提供新的思路。的思路。的思路。


技术研发人员：许靖泽 曹凌志 李越文 李硕 张宇
受保护的技术使用者：辽宁大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/6