[發明專利]具有高催化活性的氮摻雜多孔碳膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201711370302.8
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN107999113A
• 公開（公告）日: 2018-05-08
• 發明（設計）人: 王鴻
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/06;C25B1/00;C25B11/06;C25B11/12;C25B11/03
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

本發明屬于新能源材料領域，具體為一種具有高催化活性的氮摻雜多孔碳膜及其制備方法和應用。本發明首先合成聚離子液體材料，然后將其與聚丙烯酸，碳納米管的混合溶液制得聚合物膜。再通過氨水浸泡得到高度離子鉸鏈的多孔聚合物復合膜。此聚合物復合膜經碳化處理，即可制得多孔氮摻雜碳膜。制備的碳膜具有可控的厚度、孔徑、可設計的形狀，易大規模制備。本發明制備的氮摻雜多孔碳膜可以作為自支撐的電極材料，大規模的將空氣中的氮氣高效穩定的通過電催化轉化為氨氣，每平方米碳膜每小時可制備0.09克氨氣。本發明制備的多孔氮摻雜碳膜在能源轉化領域具有廣闊的實際應用前景。

技術領域

本發明屬于新能源材料技術領域，具體為一種可自支撐的氮摻雜多孔碳膜及其制備方法和應用。

背景技術

氨氣(NH3)無論作為農業肥料、新的能量載體，在人類社會中都充當著一個相當重要的角色[1-4]，是人們生活當中不可或缺的化學原料。僅在2015年全世界的NH3總產量甚至已經達到了1.46億噸[1]。氮氣(N2是工業合成NH3的主要原料，雖然空氣中N2的含量高達78％，但是由于N2分子中N≡N具有極高的鍵能(940.95kJ mol-1)和缺乏永久的偶極距，其在常溫常壓下異常穩定。因此工業利用N2制備NH3的方法非常苛刻。目前，哈伯法(HaberProcess)是工業生產NH3的主要方法，其過程是N2與H2在高溫高壓(400–500℃,200–250大氣壓)的作用下生成氨氣。哈伯法制備NH3每年所需的能量總值約占全世界能量總產值的1％-3％[4]。此外，利用哈伯法制備NH3過程中，H2的生產更是需要燃燒大量的化石燃料(CH4+2H2O→4H2+CO2)，排放出大量的溫室氣體CO2，嚴重污染環境。

隨著世界人口增長對糧食的需求也日趨增大，再加上工業發展和軍事上的迫切需要，使人工固氮在本世紀初成了世界性的重大研究課題。無論是節約成本，還是環境保護，若能將空氣中的N2在常溫常壓下轉化為高附加值的氨氣，那么這對優化我國能源結構具有重大的戰略意義，同時也將產生巨大的經濟效益。

電催化技術具有效率高、操作簡便、易實現自動化等優點[5-6]，而水是一種來源廣、環境友好的綠色溶劑，因此在水溶液中電催化轉化N2具有很強的實際應用前景。實現大規模N2電催化轉化應用的核心技術是研發高效、穩定可大規模生產的電催化劑。

由于雜原子摻雜的碳材料價廉易得，具有獨特的抗氧化性、高的比表面積、可調控電化學活性及在酸堿條件下高的穩定性，其在電化學催化領域有著非常巨大的發展前景[7-10]，但是雜原子摻雜的碳作為N2還原的新型材料在國內外目前還沒有文獻報道。

發明內容

本發明目的是針對目前工業合成方法的缺點，比如：苛刻的反應條件(高溫高壓)，排放出大量的溫室效應氣體，以及巨大的能源消耗等問題，提供一種價廉易得、易大規模制備、具有高的電催化活性和穩定性的多孔氮摻雜碳膜及其在氮氣固定中的應用。該碳膜可以在常溫常壓下，水溶液中高效的將氮氣轉化為氨氣，為環境友好、低能耗的制備氨氣提供一種技術支撐。