[發明專利]電催化還原氮氣的合成氨方法及所用催化劑

有效

• 申請號: 202010445565.6
• 申請日: 2020-05-25
• 公開（公告）號: CN111604048B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 錢超;王舒月;周少東;阮建成;陳新志
• 申請（專利權）人: 浙江大學衢州研究院;浙江大學
• 主分類號: C25B11/054
• 分類號: C25B11/054;C25B11/065;C25B11/075;C25B1/27
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

1.用于電催化合成氨的過渡金屬單原子催化劑，其特征是：采用光沉積法，按照如下步驟制備而得：

1）、制備作為載體的碳材料：

將1g碳粉、（1±0.1）g硝酸鈉和（46±2）mL濃硫酸在冰浴下均勻攪拌后，加入（6±0.6）g高錳酸鉀于30~40℃下反應（1±0.2）h；接著加入（40±10）mL去離子水，于（90±10）℃加熱反應30~50min；

反應時間到達后，加入（100±10）mL去離子水以停止反應，然后加入（6±1）mL過氧化氫溶液；再用3%的鹽酸和去離子水反復清洗，直至洗滌液pH為中性；清洗后的產物超聲分散、真空冷凍干燥，得碳材料；

2）、過渡金屬單原子催化劑的制備：

先將水與有機溶劑混合形成混合溶劑，水與有機溶劑的體積比為6:1~10:1；所述有機溶劑為甲醇、乙醇、異丙醇、丁醇、二氧六環、二氧戊環、二乙二醇二甲醚、乙二醚二甲醚；

按照TiO₂：碳材料=1：（1±0.1）的重量比，在混合溶劑中分散TiO₂和碳材料，再加入過渡金屬鹽均勻混合，接著置于光照下室溫反應1~6h，反應所得物冷凍固化后，再真空冷凍干燥，得過渡金屬單原子催化劑；

過渡金屬單原子催化劑中，過渡金屬元素的質量負載量為0.1~10%；

所述步驟2）中：過渡金屬為釩（V）、鈮（Nb）、鉭（Ta）；

過渡金屬鹽為偏釩酸鈉、焦釩酸鈉、正釩酸鈉、草酸鈮、鈮酸鉀、五氯化鉭、氟鉭酸鉀、偏鉭酸鉀。

2.根據權利要求1所述的用于電催化合成氨的過渡金屬單原子催化劑，其特征是：

所述步驟2）中：反應所得物先于-15~-25℃冷凍固化1.5~2.5h，然后真空冷凍干燥，得過渡金屬單原子催化劑。

3.根據權利要求2所述的用于電催化合成氨的過渡金屬單原子催化劑，其特征是：為光沉積法制備Ta/G單原子催化劑，包括以下步驟：

在水：乙醇=9:1，v/v的混合溶劑30ml中分散50mgTiO₂和50mg碳材料，直至TiO₂、碳材料被均勻分散，得分散液；

向上述分散液加入0.99mg五氯化鉭；接著將其置于光源下照射攪拌反應4h，然后于冰箱內冷凍2h至溶液固化成固體，最后真空冷凍干燥24h，獲得質量分數為1.0%的Ta/G單原子催化劑101.0mg。

4.利用如權利要求1~3任一所述的過渡金屬單原子催化劑進行的電催化還原氮氣的合成氨方法，利用三電極體系的電催化裝置，在陰極電解池中設置參比電極RE和工作電極WE，在陽極電解池中設置對電極CE，陰極電解池、陽極電解池中均裝有電解液；其特征是：

在工作電極WE的表面設置過渡金屬單原子催化劑涂層，在陰極電解池內的電解液中通入氮氣至飽和，施加電壓，進行電解。