[發明專利]一種自支撐的金屬納米粒子/多孔氮摻碳膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201711370331.4
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108103517B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 王鴻
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: C25B1/00
• 分類號: C25B1/00;C25B11/06;B01J27/24
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

一種可自支撐的金屬納米粒子/多孔氮摻雜碳基薄膜及制備方法和應用，屬于新能源材料領域。本發明首先合成聚離子液體/聚丙烯酸多孔復合膜。然后將吸附金屬離子的聚離子液體/聚丙烯酸/多孔復合膜一步碳化，可得金屬納米粒子/多孔氮摻雜薄膜，亦可以先合成多孔氮摻雜碳膜，再通過水熱反應的方法制備金屬納米粒子/多孔氮摻雜薄膜。制備的雜化碳膜具有可控的厚度、孔徑、可設計的形狀，易大規模制備。本發明制備的雜化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0.36克氨氣。本發明制備的金屬納米粒子/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領域，具體為一種自支撐的金屬納米粒子/多孔氮摻碳基薄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]。此外，研究表明，當金屬納米粒子或者半導體金屬納米粒子負載于氮摻雜碳材料上，可以發生Mott-Schottky效應(有效的電子轉移，可激發氮摻碳和金屬納米材料的協同催化活性)，進而能夠有效提高金屬納米材料及氮摻雜碳的催化活性和穩定性。進一步大幅度提高雜化材料的催化性能。但是雜原子摻雜的碳基電催化劑作為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

本發明目的是解決目前工業氨氣合成方法的缺點，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一種自支撐的金屬納米粒子/多孔氮摻碳基薄膜(簡稱碳膜)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、低能耗的條件下制備氨氣提供一種技術支撐。

本發明提供的金屬納米粒子/多孔氮摻碳膜的制備方法，包含以下兩種方法：