[發明專利]一種電催化合成氨的鐵基非貴金屬催化劑及制備方法

有效

• 申請號: 201810560764.4
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN108754534B
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 張其坤;劉寶良;李涵;王佳敏
• 申請（專利權）人: 山東師范大學
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/00;C25D3/20
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王磊

本發明公開了一種電催化合成氨的鐵基非貴金屬催化劑及制備方法。采用電化學沉積法將二價鐵鹽溶液中的二價鐵離子還原并沉積至導電載體表面，所述二價鐵鹽溶液中含有二價鐵鹽、還原劑、鄰磺酰苯酰亞胺和十二烷基硫酸鈉。本發明提供的催化劑進行電催化合成氨，能夠明顯提高電催化合成氨過程的法拉第效率。

技術領域

本發明屬于化學工程工業催化劑制備技術領域，涉及一種電催化合成氨的鐵基非貴金屬催化劑及制備方法。

背景技術

合成氨工業是化工生產的支柱產業。經過百余年的發展，催化合成氨技術取得了巨大的進步。在以礦石燃料的熱能作為唯一驅動力的Haber-Bosch固氮過程中，催化合成氨生產的原料和燃料都是能源，而且生產過程的某些副產物(如二氧化碳)被認定為大氣污染的源頭，當今全球關注的能源問題又擺在合成氨工業的面前，節能減排是傳統的氨合成工藝的首要話題。盡快開發出綠色高效催化劑在降低能耗方面起著至關重要的作用并且迫在眉睫。目前，氨合成工業催化劑的催化效率在高溫下已達90％以上，接近平衡氨濃度(因壓力而異)。從熱力學的角度來看，氨合成的正反應屬于體積減小的放熱反應。為了提高單程轉化率，也只有加壓、降低反應溫度才有可能。人們從豆科植物的根瘤菌可以從大氣中溫和固氮的現象中得到啟示，如果催化劑合適(例如固氮酶)，常溫常壓合成氨也并非遙不可及。另一方面，科技工作者重新審視了氮氣活化合成氨的工藝的本質，只要提供合適的電子和質子源，就可以實現氨的合成，其反應方程式如下：

N₂+6H⁺+6e→2NH₃

基于這樣的設想，電催化合成氨的方案應運而生并迅速成為氨合成領域的研究熱點。制備出適合電催化合成氨的電極催化劑首當其沖。然而現有的電催化合成氨工藝的法拉第效率低于20％，催化效率較低。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明的目的之一是提供一種電催化合成氨的鐵基非貴金屬催化劑的制備方法，采用該方法制備的催化劑進行電催化合成氨，能夠明顯提高電催化合成氨過程的法拉第效率。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一種電催化合成氨的鐵基非貴金屬催化劑的制備方法，采用電化學沉積法將二價鐵鹽溶液中的二價鐵離子還原并沉積至導電載體表面，所述二價鐵鹽溶液中含有二價鐵鹽、還原劑、鄰磺酰苯酰亞胺和十二烷基硫酸鈉。

首先，本發明該方法制備的催化劑能夠提高電催化合成氨的法拉第效率。其次，采用電化學沉積法，能夠通過通電時間或者電流密度實現目標催化劑的可控制備。第三，采用化學電沉積法可以在石墨等導電電極材料表面上析出鐵基催化劑，鐵基催化劑鍍層表面布滿疏松鐵物種。本發明的制備方法降低了催化劑的成本，提高了鐵原子利用率。

本發明的目的之二是提供一種上述制備方法獲得的鐵基非貴金屬催化劑。

本發明的目的之三是提供一種上述鐵基非貴金屬催化劑在合成氨工藝或以鐵基材料為活性中心的催化工藝中的應用。

本發明的目的之四是提供一種電催化合成氨的方法，以上述鐵基非貴金屬催化劑作為工作電極，向電解液中通入氮氣，進行電催化制備氨。

本發明的有益效果為：

本發明的方法降低了催化劑的成本，提高了鐵原子利用率，制備方法便捷、可控。所制備的鐵基催化劑用于氨的合成，室溫常壓下電催化產氨量可達100～400mg·h^-1m^-2，法拉第效率可達30～60％。而合成氨工業中普遍使用的催化劑一般都要求高溫高壓(400～500℃、20～30MPa)，文獻報道的電化學合成氨工藝的法拉第效率低于20％。本發明為實現常溫常壓下合成氨進行了有益的探索。

附圖說明