[發明專利]一種制備碳化鉬催化材料的方法

有效

• 申請號: 202010786149.2
• 申請日: 2020-08-06
• 公開（公告）號: CN111905784B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 黃濤;宋東平;戴宇星;金俊勛;杜晶;劉龍飛;周璐璐
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: B01J27/22
• 分類號: B01J27/22;B01J37/34;B01J19/08;C25B1/27;C25B11/075;C01B32/949
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 王艷

本發明公開了一種低溫等離子體處理反應器，本發明還公開了一種利用所述的低溫等離子體處理反應器制備碳化鉬催化材料的方法。本發明還公開了碳化鉬催化材料及其應用。本發明制備過程簡單，制備過程無需高溫加熱環境及水溶液環境。本發明無需使用傳統的高毒性還原試劑，通過應用低溫等離子體體高壓電極端釋放的高能電子束實現氫氣和甲烷氣體的電離與解離，從而實現六羰基鉬的脫氧、還原與加碳過程。本發明制備的碳化鉬催化劑點催化性能優異，最高可將46.21%氮氣轉化為氨。

技術領域

本發明屬于材料制備新方法研發領域，具體涉及一種制備碳化鉬催化材料的新方法。

背景技術

氨(NH3)的出現改變了人類的生產生活方式，為人口的不斷增長提供物質基礎。目前，氨的生產仍然高度依賴Haber-Bosch工藝。Haber-Bosch工藝需在高溫高壓環境下進行，整個過程不僅能耗大且會排放大量的溫室氣體。因此，應用Haber-Bosch工藝生產氨與當前人類社會綠色節能可持續發展的理念相矛盾。氮氣(N₂)在空氣中的占比約為78％，其固定與轉化通常通過固氮微生物的固氮酶實現。然而生物固氮的效率遠低于當前工業規模水平。

因此，研發一種可在常溫常壓下將氮氣進行高效轉化的技術顯得非常迫切。目前，利用電催化實現氮還原反應(NRR)已有報道，但該技術主要依賴催化劑性能。作為一種催化材料，碳化鉬材料可在常溫常壓環境下實現催化固氮。當前碳化鉬主要通過兩種途徑實現合成，一種是鉬類化合物在高溫環境下經碳化合成，一種是在液相環境中經還原劑還原及液相刻蝕合成。總體而言，碳化鉬合成的第一種途徑需高溫環境，能耗高，二第一種途徑合成的碳化鉬氮氣轉化性能較差。

因此，鑒于上述討論，若能研發一種可避免高溫和液相環境且能高效合成高性能碳化鉬催化材料的方法是解決上述問題的關鍵。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供了一種低溫等離子體處理反應器。

本發明還要解決的技術問題是提供了一種利用所述的低溫等離子體處理反應器制備碳化鉬催化材料的方法。

本發明最后要解決的技術問題是提供了碳化鉬催化材料及其應用。

技術方案：為了解決上述技術問題，本發明采取了如下的技術方案：一種低溫等離子體處理反應器，所述低溫等離子體處理反應器包括低溫等離子體高壓接線端、針狀電極、進樣口、反應槽、低溫等離子體低壓接地端、曝氣盤、空氣泵和氣體混合箱，所述高壓接線端與多個并排的針狀電極一端相連，所述多個針狀電極的另一端垂直深入反應槽內，所述反應槽底部設置有曝氣盤，所述曝氣盤與空氣泵相連，所述空氣泵與氣體混合箱相連通，所述氣體混合箱外部分別設有氫氣、氬氣和甲烷氣體的進氣裝置，并通過流量控制閥控制。

本發明內容還包括一種利用所述的低溫等離子體處理反應器制備碳化鉬催化材料的方法，包括以下步驟：

1)稱取六羰基鉬粉末，進行研磨1～3小時，得六羰基鉬活化細粉末；

2)將所述的低溫等離子體處理反應器中的曝氣盤開啟，通入氫氣和氬氣混合氣體；

3)將六羰基鉬活化細粉末從進樣口裝入反應槽中，隨后進行低溫等離子體照射1～3小時，得還原鉬粉；

4)停止曝氣和低溫等離子體照射，取出還原鉬粉，研磨1～3小時，開啟反應槽中曝氣盤，通入甲烷和氬氣混合氣體，然后將研磨后的還原鉬粉從進樣口裝入反應槽中，進行低溫等離子體照射1～3小時，得碳化鉬催化劑。

其中，所述步驟1)中六羰基鉬活化細粉末的粒徑為1～500nm。

其中，所述步驟2)中氫氣與氬氣體積比為4～12：100。

其中，所述步驟2)和步驟3)中低溫等離子體作用電壓為5～50kV。

其中，所述步驟3)甲烷和氬氣體積比為20～30：100。