[發明專利]一種電催化氮還原催化劑的方法

有效

• 申請號: 202010142542.8
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111298813B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 王磊;韓藝;賴建平;李彬;宗玲博
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: C25B11/052
• 分類號: C25B11/052;C25B11/075;C01B19/04;B82Y40/00;C25B1/27
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 馬金華

本發明屬于電催化產氨技術領域，公開了一種電催化氮還原催化劑的方法，第一次利用碲化物具有儲氫能力，將碲化物引入電催化氮還原，其中選用對氮氣具有良好吸附作用的元素，借助碲化物具有儲氫性質，在0V實現了較高的產氨量；碲化物包括：Sb₂Te₃、Bi₃Te₄、CoTe及CdTe₂；以Sb₂Te₃為例，Sb₂Te₃的合成方法包括：SbCl₃溶于水中，后依次加入25mg酒石酸鈉，25mL氨水，22mg亞碲酸鉀，10mL肼攪拌5min后裝入反應釜于180℃下反應5h。本發明對比了Sb₂Te₃，Bi₃Te₄，CoTe，CdTe的氮還原性質，發現碲化物在低電壓下的氮還原中具有很大的前景。

技術領域

本發明屬于電催化產氨技術領域，尤其涉及一種電催化氮還原催化劑的方法。

背景技術

合成氨歷來是最重要的工業過程之一，其產品氨既是一種用途廣泛的工業產品，又是一種理想的清潔能源載體。傳統的合成氨采用Haber-Bosch法通過高溫高壓等極端的苛刻條件促使高純氫氣和氮氣反應生成氨氣。該工藝耗能高，且排放大量溫室氣體。不利于現在綠色可持續發展戰略舉措。

因此，開發綠色可持續的替代方案尤為重要。目前產氨的方法有光催化氮還原，電催化氮還原，固氮酶催化。在這些方法中，電催化氮還原可在溫和條件下實現高效率、低能耗、零排放合成氨，近年來受到廣泛關注。

目前設計了各種電催化劑，如合金(PdCu，Angew.Chem.Int.Ed.，2019DOI:10.1002/anie.201913122)，硫化物(MoS₂，Adv.Energy Mater.2019，9，1803935，Fe₃S₄，Chem.Commun.2018，54，13010-13013)，氧化物(CeO₂，Chem.Commun.2019，55，2952-2955，BiVO₄，Small Methods 2018，3，1800333)，磷化物(CoP，Small Methods 2018，2，1800204)，氮化物(W₂N₃，Adv.Mater.2019，31，1902709，Mo₂N，ACS Energy Lett.2019，4，1053-1054)，單原子催化劑(Fe_SA-N-C，Nat.Commun.2019，10，341)等等。但是，催化效果主要集中在高電壓下，造成的嚴重的電能耗損。因此如何解決高電位問題，實現在低電位下高產氨量是電化學氮還原的一大重要挑戰。

在氮還原中難以實現低電壓下高產氨量的原因主要體現在一方面較低的氮氣溶解度嚴重限制了其傳質過程，一方面強烈的析氫競爭反應使其選擇性和活性在低電位下非常低，另一方面氮還原中氮氣加氫還原要克服的能壘高，速度慢。因此設計發展一種新的催化劑來促進氮氣吸附，抑制競爭反應，降低加氫能壘，實現低電壓下高產氨量顯得尤為重要。

碲化物納米材料在日益蓬勃發展的無機功能材料和器件中扮演著重要角色。這些材料具有較好的光學，電學及催化等性質，可廣泛應用于重要的研究和生產領域。但是作為一種極具應用前景的催化劑，在氮還原產氨方面的貢獻尚未被研究。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

(1)現有技術中，大多數催化劑難以在較低電壓下實現高產氨量。

(2)現階段一些催化劑能實現低電壓下產氨，但是都是貴金屬，價格昂貴，儲量稀少，在工業生產中具有一定局限性。