[發明專利]基于石墨烯量子點的電化學合成氨催化劑及其制備方法

有效

• 申請號: 201811059196.6
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109750316B
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發明（設計）人: 孫成華;徐勇軍
• 申請（專利權）人: 東莞理工學院
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B1/00
• 代理公司: 44412 東莞恒成知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 鄧燕

本發明涉及石墨烯量子點領域，具體涉及基于石墨烯量子點的電化學合成氨催化劑制備方法，包括以下步驟，①取石墨粉塊與熔鹽催化劑機械混合；②取步驟①中的混料經預熱處理并保溫；③取步驟②保溫后的混料直接升溫并保溫；④將步驟③中的混料降溫到室溫后，水浸泡處理，獲取懸浮液；⑤取步驟④中的懸浮液，經離心過濾獲得基于石墨烯量子點的電化學合成氨催化劑；步驟①中，熔鹽催化劑為碳酸銫熔鹽。本發明的電化學合成氨催化劑造價低、石墨化程度高、成品質量好，對合成氨的催化效率高、可適用于大規模生產。

技術領域

本發明涉及石墨烯量子點領域，特別是涉及一種基于石墨烯量子點的電化學合成氨催化劑及其制備方法。

背景技術

氨氣是一種重要的化工和能源材料。氮原子是生物分子的重要組成元素，因而是藥劑、肥料的必要成分，同時氮原子在非生物領域如染料、炸藥和樹脂也有廣泛應用，而制備以上物質都需要以氨氣為原料；氨氣裂解可產生氫氣，因此氨氣也作為一種儲氫材料廣泛應用于能源領域。

通過空氣中的氮氣合成氨被譽為是20世紀最偉大的科學進展，每年有超過1％地球的總能量用于合成氨。目前最主要的合成氨方式是 Haber-Bosch循環：氮氣和氫氣為反應氣，高溫高壓反應條件下，基于 Fe基或者Ru基催化劑的熱催化技術。但熱催化(300-550攝氏度， 15-25MPa)需要消耗大量化石能源，化石能源燃燒又導致溫室氣體二氧化碳的排放。面對全球日益受關注的能源問題和環境問題，節能減排始終是合成氨工業面臨的重大挑戰。

電化學合成氨突破了傳統Haber法氨合成的熱力學限制，反應可以在低溫和常壓下進行，不僅減低了哈伯法高溫高壓所需的能耗，而且也降低了對設備的要求，是一種低能耗、環保、高效的合成方法。高效的電催化劑對電化學合成氨起至關重要的作用，目前合成氨催化劑主要有貴金屬催化劑和非貴金屬催化劑。貴金屬催化劑通常是含Ru、Pd和Pt 等元素的催化劑。Kordali V(Chemical Communications,2000(17):1673-1674)等人使用Nafion質子傳導膜，釕/碳陰極，鉑陽極，以氮氣和水作為原料氣來合成氨，在20℃下合成氨速率達到2.78×10-8mol·s-1·cm-2。常用的非貴金屬催化劑主要有過渡金屬氧化物催化劑。王進等人(Acta Chim Sin,2008,66:717-721) 用溶膠凝膠法制備了SDC(Ce0.8Sm0.2O2-δ)，SSC(Sm0.5Sr0.5CoO3- δ)，分別采用Ni-SDC和SSC為陰陽兩極電極催化劑，以磺化聚砜聚合物(SPSF)為質子交換材料，陽極通入濕潤氫氣，陰極通入干燥氮氣，在25-120℃下成功合成了氨。2V電壓、80℃下合成氨速率達到6.5× 10-9mol·s-1·cm-2。Rong等人(Applied Catalysis B:Environmental,2014:212–217.)合成了La0.8Cs0.2Fe0.8Ni0.2O3+ δ鈣鈦礦型化合物，并用于電化學合成氨，在400℃、1.4V電壓下，合成氨速率達到9.21×10-7mol·s-1·cm-2。貴金屬催化劑催化性能優越，但導容易中毒，使用壽命短，特別是價格昂貴，難以滿足實際應用的要求。非貴金屬催化劑盡管具有很大的成本優勢，但是催化性能還有待于進一步研究。因此，需要進一步研究價格低廉，性能優越的電催化劑，提高合成氨速率，以滿足生產要求。

發明內容

為解決上述問題，本發明提供一種催化效率高、造價低、可適用于大規模生產的基于石墨烯量子點的電化學合成氨催化劑及其制備方法。

本發明所采用的技術方案是：基于石墨烯量子點的電化學合成氨催化劑制備方法，包括以下步驟，①取石墨粉塊與熔鹽催化劑機械混合；②取步驟①中的混料經預熱處理并保溫；③取步驟②保溫后的混料直接升溫并保溫；④將步驟③中的混料降溫到室溫后，水浸泡處理，獲取懸浮液；⑤取步驟④中的懸浮液，經離心過濾獲得基于石墨烯量子點的電化學合成氨催化劑；步驟①中，熔鹽催化劑為碳酸銫熔鹽。

對上述技術方案的進一步改進為，步驟①中，石墨粉塊與催化劑的質量比為1：2～1：8。