[發明專利]一種花簇狀FeS2

在審

• 申請號: 202010980232.3
• 申請日: 2020-09-17
• 公開（公告）號: CN112007660A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 王新銘;王成龍;馬慧媛;龐海軍;譚立超;吳子劍
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: B01J27/043
• 分類號: B01J27/043;B01J21/18;B01J37/10;C25B11/06;C25B1/00
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本發明公開了一種花簇狀FeS₂@C固氮催化劑的制備方法及應用，其制備方法包括步驟：將六水三氯化鐵、1,3,5?均苯三甲酸和聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)溶于水溶液中，超聲形成均勻的溶液，然后將溶液加入反應釜中于130℃反應72小時，待溫度降至室溫，經離心、洗滌、干燥，得到MIL?100(Fe)@PVP前驅體；再將MIL?100(Fe)@PVP和硫脲加入反應釜中，并在200℃下水熱反應24小時，冷卻至室溫后，經硫酸和去離子水分別洗滌，烘干得到FeS₂@C復合材料。本發明方法操作簡單、成本低廉、原材料獲取廣泛。該催化劑用于常溫常壓條件下的電催化固氮，具有優異的電催化產氨活性。

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，具體涉及一種FeS₂@C復合材料的制備以及該復合材料在電催化固氮中的應用。

背景技術

氨是基本的化工原料，在經濟生產中占有重要地位。氨可用來生產化學肥料，氮肥和復合肥料基本都是以氨為原料生產的，在農業中應用廣泛。目前為止，固氮類型可分為：高能固氮、生物固氮和工業固氮。高能固氮多為大自然中閃電產生的高能量促使氨的形成，生物固氮是利用某些生物的生物作用或仿生技術進行的固氮，工業固氮主要為Haber-Bosch工藝來生產氨。Haber-Bosch工藝需要在高溫高壓條件(350-550℃，150-350atm)下進行反應，耗能較高且污染環境。考慮到化石燃料的短缺與全球氣候的變化，探索在溫和條件下發生合成氨的催化反應尤為重要。

電催化固氮近年來被證實可在溫和條件下進行，是一種潛在的合成氨替代技術。目前電催化合成氨面臨的主要問題是較低的產氨效率和法拉第效率，這主要是因為在常溫常壓下，由于氮氣中的氮氮三鍵非常牢固，氮氣和氫氣的反應在反應動力學上非常難以進行，而且由于析氫電位和氮還原電位非常接近，析氫反應作為競爭反應會嚴重制約氮還原合成氨的效率，所以在氮氣還原和析氫反應中尋找一個平衡點將有助于促進電催化固氮。在生物固氮中，固氮酶的鐵蛋白和鉬鐵蛋白催化固氮反應的進行，所以模仿固氮酶利用鐵元素與鉬元素應用于電催化固氮可能會取得不錯的效果。近年來，有許多研究涉及鐵元素與鉬元素的固氮催化劑，然而它們的產氨率與法拉第效率還亟需提升。

MOFs材料是指金屬離子與有機配體自組裝形成的具有網絡結構的周期性晶體多孔材料。它具有高孔隙率、孔道規則和大比表面積等優點。由于MOFs材料具有這些優點，利用MOFs材料為前驅體制備的復合物可能會提升固氮性能。目前，研究人員將金屬納米顆粒負載到MOFs材料上進行光催化固氮研究，發現MOFs材料對氮氣的吸附和金屬納米顆粒的熱電子作用協同促進光催化固氮，將MOFs材料應用于電催化固氮有很好的應用價值。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用水熱法將MIL-100(Fe)@PVP和硫脲合成的FeS₂@C復合材料，用于電催化固氮。

本發明涉及一種用于電催化固氮的FeS₂@C復合材料催化劑，該電化學工作電極由碳布和碳布上包裹的復合材料FeS₂@C構成，該工作電極的合成按以下步驟進行：

一、MIL-100(Fe)@PVP的制備：將六水三氯化鐵，1,3,5-均苯三甲酸和聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)溶于水溶液中，超聲形成均勻的溶液。然后將溶液加入反應釜中，在一定溫度下反應一段時間，冷卻至室溫，離心，洗滌，真空干燥，得到MIL-100(Fe)@PVP。

二、FeS₂@C復合材料的制備：將MIL-100(Fe)@PVP和硫脲以一定質量比加入去離子水中，攪拌3小時，加入反應釜中，在一定溫度下反應一段時間，冷卻至室溫，離心，洗滌，真空干燥，得到FeS₂@C。

三、工作電極的制備：將上述復合材料進行研磨，取一定量的FeS₂@C復合材料，加入到含有異丙醇和nafion的水溶液中，進行超聲。取適量的混合均勻的溶液滴涂在活化好的碳布上，靜置。