[發(fā)明專利]用于電化學合成氨的高比表面積鉬酸鐵催化劑及其制備方法和應用

有效

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• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113265676B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設計）人: 孔令濤;馬鳳云;劉雪;高歌;劉景梅;鐘梅;徐勝濤;劉超凡;張丹丹
• 申請（專利權）人: 新疆大學
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B1/27
• 代理公司: 烏魯木齊和美創(chuàng)新專利商標代理事務所(普通合伙) 65112
• 代理人: 李大莊;楊玉虎

本發(fā)明涉及用于電化學合成氨的鉬酸鐵催化劑技術領域，是一種用于電化學合成氨的高比表面積鉬酸鐵催化劑及其制備方法和應用，該高比表面積鉬酸鐵催化劑以鉬酸銨、鐵鹽作為原料，以氫氧化鋁作為硬模板劑，進行機械研磨；然后在空氣氣氛和一定溫度下高溫煅燒；最后將其加入一定濃度的NaOH溶液中，除去鋁元素，得到高比表面積鉬酸鐵催化劑。將本發(fā)明所述鉬酸鐵催化劑用于電化學合成氨反應中，具有活性好，價格低廉，便于規(guī)模化生產，表現(xiàn)出顯著提升的電化學合成氨產氨速率和法拉第效率。該方法利用高比表面積的非貴金屬鉬酸鐵作為電催化合成氨催化劑；此外，利用機械化學法制備所述催化劑能顯著減少工業(yè)污水的排放和水資源的浪費。

技術領域

本發(fā)明涉及用于電化學合成氨的鉬酸鐵催化劑技術領域，是一種用于電化學合成氨的高比表面積鉬酸鐵催化劑及其制備方法，還包括所述用于電化學合成氨的高比表面積鉬酸鐵催化劑在電化學合成氨中的應用。

背景技術

氨氣是一種具有刺激性氣味的、無色、堿性的氣體。氨對人類的生存和發(fā)展具有至關重要的作用，合成氨工業(yè)是化學工業(yè)的支柱產業(yè)，對化肥、染料、醫(yī)藥等其他化學工業(yè)的發(fā)展具有極其重要的作用。目前工業(yè)上制備氨主要是通過Haber-Bosch法，該法是將氮氣和氫氣在高溫、高壓（350℃至550℃和15MPa至35MPa）和鐵催化劑的作用下合成氨，因此需要消耗大量的能源和化石燃料來驅動該反應的進行。此外，該工藝在合成氨的同時，會消耗大量的能源并排放出大量的二氧化碳。因此，迫切地需要發(fā)展一個可行的合成方法來替代Haber-Bosch工藝，來實現(xiàn)在溫和的條件下，高效、可持續(xù)、經濟地生產氨。

電化學合成氨作為一種可供選擇的策略，由于其可以在溫和的條件下，用電化學的方法將原料氮氣和水轉化成氨，引起了廣泛的研究興趣。而電化學合成氨的關鍵是要設計一種高催化活性和高選擇性的催化劑。目前電化學合成氨所使用的催化劑主要包括貴金屬和非貴金屬催化劑兩類，貴金屬催化劑中常用金、銀、釕和鈀等金屬元素與鐵礦載體或導電金屬相結合，常用浸漬法制成陰極催化材料，該類催化劑性能優(yōu)越，但其導電性較差、價格昂貴和儲量稀缺等缺點限制了它們的應用及發(fā)展。非貴金屬電化學合成氨的催化劑，例如BP、Fe₂O₃、MoO₃、MoO₂、Mn₃O₄、MnO₂等，一般具有較低的法拉第效率（FaradayEfficiencies, FEs）。因此開發(fā)儲量豐富、價格低廉的高性能電催化合成氨催化材料具有重要的意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明提供了一種用于電化學合成氨的高比表面積鉬酸鐵催化劑及其制備方法和應用，克服了上述現(xiàn)有技術之不足，所述用于電化學合成氨的高比表面積鉬酸鐵催化劑為一種非貴金屬氧化物催化劑，該非貴金屬氧化物催化劑在電化學合成氨反應中，具有活性好、高法拉第效率、價格低廉、易于規(guī)模化生產等特點。

本發(fā)明的技術方案之一是通過以下措施來實現(xiàn)的：一種用于電化學合成氨的高比表面積鉬酸鐵催化劑（后續(xù)簡稱為高比表面積鉬酸鐵催化劑）的制備方法，按下述方法進行：

第一步，將鉬酸鹽和鐵鹽按照鉬鐵摩爾比為1.5混合均勻；

第二步，以氫氧化鋁作為硬模板劑，與第一步的鉬酸鹽和鐵鹽的混合物進行混合，其中鉬酸鹽和鐵鹽的混合物總質量與氫氧化鋁的質量比為1:0.1至2.0；

第三步，將鉬酸鹽、鐵鹽和氫氧化鋁的混合物進行球磨；

第四步，將球磨后的樣品干燥除去水分；

第五步，在空氣氛圍下進行焙燒，使上述干燥后的樣品轉化為氧化物和鉬酸鐵,焙燒溫度為350℃至600℃，焙燒時間為2h至8h；

第六步，將焙燒后的樣品放入氫氧化鈉水溶液中，在一定溫度下攪拌，利用氫氧化鈉刻蝕并溶解鋁的氧化物；

第七步，將經氫氧化鈉溶液處理后的樣品離心，并依序經去離子水和乙醇洗滌，最后干燥得到高比表面積鉬酸鐵催化劑。