[發(fā)明專(zhuān)利]氮?dú)馍砂睔獾难b置和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011064677.3
• 申請(qǐng)日: 2020-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112226781B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭建云;蔣三平;王雙印;陳如
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 湖南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C25B1/27
• 分類(lèi)號(hào): C25B1/27;C25B9/19;C25B9/50;C25B11/031;C25B11/054
• 代理公司: 廣州華進(jìn)聯(lián)合專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 44224
• 代理人: 林青中

本發(fā)明公開(kāi)了一種氮?dú)夂铣砂睔獾难b置和方法，裝置包括工作電極隔室和對(duì)電極隔室，工作電極隔室和所述對(duì)電極隔室連通且之間設(shè)有用于間隔的質(zhì)子導(dǎo)電陽(yáng)離子交換膜，工作電極隔室設(shè)置有第一工作電極和第二工作電極，第一工作電極與第二工作電極間隔且相對(duì)設(shè)置，工作電極隔室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，從進(jìn)氣口進(jìn)入的反應(yīng)氣體能夠依次經(jīng)過(guò)第二工作電極和第一工作電極后從出氣口排出，對(duì)電極隔室設(shè)置有對(duì)電極和參比電極。相比于單一的工作電極，本發(fā)明添加以多孔材料作為第二工作電極顯示了更優(yōu)的光電化學(xué)氮還原合成氨性能。此類(lèi)輔助增強(qiáng)方法還能拓展到光電化學(xué)的其它反應(yīng)，特別是反應(yīng)速率遲滯的多電子、多步驟反應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種氮?dú)馍砂睔獾难b置和方法。

背景技術(shù)

氮還原合成氨是自然界中最重要的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程之一，為人類(lèi)和地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡做出重要貢獻(xiàn)。氨作為最基本的化學(xué)物質(zhì)，是各種工業(yè)的基礎(chǔ)前驅(qū)體，用于生產(chǎn)化肥、合成纖維、染料、炸藥、樹(shù)脂等化學(xué)品。同時(shí)，由于高氫含量(17.8％)，高體積能量密度(13.6GJ/m³)，無(wú)碳排放和易于運(yùn)輸(沸點(diǎn)為-33℃)等特點(diǎn)，氨可視為未來(lái)氫能源載體的潛在候選者。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年氨產(chǎn)量為1.5～2億噸，而工業(yè)上合成氨的主要手段仍是傳統(tǒng)的Haber-Bosch方法，其要求在150～350atm和350～550℃的條件下生成，且平均能耗占世界總能耗的1～2％，排放了約1.5％的全球溫室氣體。

在眾多的可再生能源中，太陽(yáng)能具有豐富、清潔、安全等特性而備受研究人員的關(guān)注。地球上每天接收太陽(yáng)的輻射能量約為120000TW，遠(yuǎn)超地球生命生存所需能量總額15TW。當(dāng)前，利用太陽(yáng)能最普遍的方式是光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，能直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，用于工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民生活中。但是，由于太陽(yáng)能的瞬時(shí)性和間歇性的問(wèn)題以及現(xiàn)有的大規(guī)模化學(xué)燃料基礎(chǔ)應(yīng)用設(shè)施的存在，單純地用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電無(wú)法滿(mǎn)足自然和社會(huì)資源最大化的目的，而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為易儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用的化學(xué)燃料可能是一條行之有效的補(bǔ)充路線(xiàn)。結(jié)合氮還原形成氨的需求，光電化學(xué)氮還原研究不僅為綠色合成氨技術(shù)提供了可行的途徑，也開(kāi)拓了太陽(yáng)能資源的應(yīng)用范圍和市場(chǎng)前景。但是，現(xiàn)有的光電陰極在室溫常壓下均顯示了低的氨產(chǎn)率和低的轉(zhuǎn)換效率，嚴(yán)重阻礙了光電化學(xué)氮還原合成氨的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要提供一種能夠有效提高氨產(chǎn)率和轉(zhuǎn)換效率的氮?dú)馍砂睔夂头椒ā?/p>

一種氮?dú)馍砂睔獾难b置，包括工作電極隔室和對(duì)電極隔室；所述工作電極隔室和所述對(duì)電極隔室連通且之間設(shè)有用于間隔的質(zhì)子導(dǎo)電陽(yáng)離子交換膜；所述工作電極隔室設(shè)置有第一工作電極和第二工作電極，所述第一工作電極為光電陰極，所述第二工作電極為多孔電極，所述第一工作電極與所述第二工作電極間隔且相對(duì)設(shè)置，所述工作電極隔室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，從所述進(jìn)氣口進(jìn)入的反應(yīng)氣體能夠依次經(jīng)過(guò)所述第二工作電極和所述第一工作電極后從所述出氣口排出；所述對(duì)電極隔室設(shè)置有對(duì)電極和參比電極。

在其中一些實(shí)施例中，所述氮?dú)馍砂睔獾难b置中，所述對(duì)電極隔室有兩個(gè)，其中一個(gè)位于所述工作電極隔室的進(jìn)氣一側(cè)，另一個(gè)位于所述工作電極隔室的出氣一側(cè)。

在其中一些實(shí)施例中，所述氮?dú)馍砂睔獾难b置中，所述氮?dú)馍砂睔獾难b置還包含電化學(xué)工作站，所述電化學(xué)工作站用于與各電極電連接。

在其中一些實(shí)施例中，所述氮?dú)馍砂睔獾难b置中，所述第一工作電極包括助催化劑、保護(hù)層和半導(dǎo)體吸光器；其中，所述保護(hù)層設(shè)置在所述半導(dǎo)體吸光器上，所述助催化劑設(shè)置在所述保護(hù)層上；所述保護(hù)層的厚度為5～20nm，所述助催化劑的厚度為5～10nm。

在其中一些實(shí)施例中，所述氮?dú)馍砂睔獾难b置中，所述助催化劑選自貴金屬、過(guò)渡金屬氧化物和硫化物中的至少一種。

在其中一些實(shí)施例中，所述氮?dú)馍砂睔獾难b置中，所述貴金屬選自鉑、金、銀、鈀和銠中的至少一種；和/或

所述過(guò)渡金屬氧化物選自氧化鎢和氧化鐵中的一種；和/或