[發明專利]一種用于電化學合成氨的四氧化三鐵催化劑及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202110086111.9
• 申請日: 2021-01-22
• 公開（公告）號: CN112853393B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 李鐘號;英昊
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C25B11/077
• 分類號: C25B11/077;C25B1/27
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王素平

本發明提供了一種用于電化學合成氨的四氧化三鐵催化劑及其制備方法與應用。本發明四氧化三鐵催化劑的制備方法，先以氯化膽堿和草酸為原料制備低共熔溶劑；然后將四氧化三鐵溶于低共熔溶劑中，微波加熱進行反應，之后經離心、洗滌、干燥，得到前驅體；在氮氣保護下，將前驅體進行煅燒得到四氧化三鐵催化劑。本發明制備方法簡便快捷，原料價格低廉，來源廣泛；所得四氧化三鐵催化劑是由納米顆粒構筑成的二維多孔納米片，具有較好的電催化氮還原性能。

技術領域

本發明涉及一種用于電化學合成氨的四氧化三鐵催化劑及其制備方法與應用，屬于能源材料技術領域。

背景技術

氨氣作為人類社會生存和發展不可缺少的重要化學物質，被廣泛應用于制藥、合成纖維、肥料生產以及其他工業化學品的合成。因其單位質量中氫含量較高以及液化壓強較低，氨氣也是一種理想的儲氫材料。目前，氨氣的大規模工業生產主要依賴于傳統的哈伯-博世法，即在高溫(400～500℃)高壓(150～250atm)條件下，將N₂和H₂轉化為氨氣，該反應所需的H₂主要來自于天然氣重整，這一過程會造成大量的能源損耗和環境污染，且這一合成過程工藝流程復雜，設備要求條件高。因此，探索綠色、高效、可持續的合成氨技術來取代傳統的哈伯-博世法是十分必要的。

電化學合成氨是以空氣中含量豐富的N₂和自然界中廣泛存在的H₂O為原料，在催化劑作用下溫和地合成氨，所需要的電能屬于可再生能源，可來自于風能、太陽能、潮汐能等，從而避免了化石燃料的大量消耗和溫室氣體的排放，是一種環境友好的合成氨技術。而催化劑是電化學合成氨的核心，因此合成廉價、高性能的電催化劑是非常重要的。目前報道的四氧化三鐵催化劑具有較高的氮還原性能，如文獻“Nanoscale,2018,10,14386-14389”中，以FeCl₃·6H₂O為原料，采用水熱法和高溫煅燒得到Fe₃O₄納米棒，將其應用于電催化氮氣還原，其平均氨產率在-0.4V時為5.6×10^-11mol s^-1cm^-2，法拉第效率為2.6％，說明四氧化三鐵納米棒具有一定的氮氣還原性能，但是上述四氧化三鐵納米棒在傳質、暴露的活性位點、形貌調控等方面依然存在一定的缺點，其催化性能有待進一步提升。

因此，制備具有較高的電催化氮還原性能的四氧化三鐵催化劑具有重要的意義。為此，提出本發明。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種用于電化學合成氨的四氧化三鐵催化劑及其制備方法與應用。本發明提供的制備方法簡便快捷，易于操作；所得四氧化三鐵催化劑是由納米顆粒構筑成的納米片結構，具有較好的電催化氮還原性能。

本發明還提供一種用于電化學合成氨的四氧化三鐵催化劑在電催化氮還原中的應用。

術語說明：

室溫：具有本領域公知的含義，指25℃±5℃。

本發明的技術方案如下：

一種用于電化學合成氨的四氧化三鐵催化劑，所述四氧化三鐵催化劑的微觀形貌為納米顆粒構筑成的納米片，所述納米顆粒的粒徑為9-10nm；所述四氧化三鐵催化劑是將四氧化三鐵溶于低共熔溶劑后，經微波加熱、煅燒后得到的。

根據本發明優選的，所述低共熔溶劑是由氯化膽堿和草酸反應制備得到的。

上述用于電化學合成氨的四氧化三鐵催化劑的制備方法，包括步驟如下：

(1)將氯化膽堿和草酸于80℃下混合反應，得到低共熔溶劑；

(2)將四氧化三鐵溶于低共熔溶劑中，微波加熱進行反應，之后經離心、洗滌、干燥，得到前驅體；

(3)將步驟(2)所得前驅體進行煅燒，得到四氧化三鐵催化劑。