[發明專利]一種電催化硝酸根或亞硝酸根合成氨的方法

有效

• 申請號: 202110913241.5
• 申請日: 2021-08-10
• 公開（公告）號: CN113637989B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發明（設計）人: 劉承斌;唐艷紅;袁繼理
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: C25B1/27
• 分類號: C25B1/27;C25B1/50;C25B11/091
• 代理公司: 湖南科云知識產權代理事務所(普通合伙) 43253
• 代理人: 何方

本發明公開了一種電催化硝酸根或亞硝酸根合成氨的方法，該方法采用的電催化劑為金屬?金屬氧化物，所述金屬?金屬氧化物本身作為陰極或者負載于導電材料表面作為陰極，所述金屬?金屬氧化物選自釕?氧化釕、銅?氧化銅、銅?氧化亞銅、鎳?氧化鎳、鐵?三氧化二鐵、鐵?氧化亞鐵、鐵?四氧化三鐵、鈷?氧化鈷、鈷?四氧化三鈷、鋅?氧化鋅中的一種或多種組合。本發明所提供的催化電極材料結構穩定，制備工藝簡單，可以有效放大制備，實現其在將含硝酸根或亞硝酸根廢水變為有價值的氨的應用。本發明所提供的催化電極材料，可以實現高效地電催化硝酸根或亞硝酸根還原為氨，選擇性高。

技術領域

本發明屬于電催化技術領域，具體涉及一種電催化硝酸根或亞硝酸根合成氨的方法。

背景技術

硝酸銨、尿素等氮肥的使用對過去一個世紀的農業生產貢獻顯著。然而，氮的利用效率通常低于40％，因此施肥中的大部分氮不會被吸收入植物中，而是很容易從土壤中浸出到地下水中。因此，由于過度施肥以及工業廢水和人類排泄物不斷增加硝酸鹽或亞硝酸鹽的濃度(NO^3-/NO^2-)。在地下水、河流、湖泊和沿海地區，造成嚴重的環境問題，例如富營養化。

為了去除廢水中的硝酸鹽或亞硝酸鹽用于水環境的反硝化和修復，已經做出了許多努力，例如：生物法、離子交換法以及膜分離等方法，但是這些方法往往具有反應條件苛刻、反應速率慢、設備成本高等缺點。在眾多的努力中，硝酸鹽或亞硝酸鹽的電化學還原得到了相當大的關注，由于它所需的電可以由可再生能源提供(如太陽能或風能)。在電極-電解質界面處還原水中的硝酸鹽和亞硝酸鹽可能非常有效，產生各種產物，例如：氮氣，溶解氨(NH₃)或NH⁴⁺，以及亞硝酸鹽NO^2-。許多研究旨在將硝酸鹽NO^3-或亞硝酸鹽NO^2-選擇性的電催化轉化為N₂，可以直接排放到環境空氣中，然而，由硝酸鹽NO^3-或和亞硝酸鹽NO^2-向N₂的轉化，沒有價值相比，從廢水中硝酸鹽NO^3-或亞硝酸鹽NO^2-生產NH₃可以作為另一種途徑，能更有效地利用電能，而且溶解于水中的NH₃能夠99％被回收。與工業生產通過Haber-Bosch工藝合成NH₃，這樣的高度能源密集和依賴于化石燃料的方法相比，從水中NO^3-或NO^2-電化學合成NH₃，是一個可以實現使用可再生的電能生產NH₃的可持續，碳中和過程，并能平衡被過度施肥引起的氮循環問題，也為緩解由化石燃料驅動氮轉化引起的全球能源和環境問題提供了一個有前景的策略。

相關技術也有報道，中國專利CN?111359615?A通過靜電紡絲和煅燒法制備了一種鎳摻雜的碳材料，該材料可將水體中的亞硝酸根電化學還原為氨。中國專利CN?112981451A利用硼氫化物處理金屬制備金屬電極，用于電催化硝酸根或亞硝酸根還原為氨。中國專利CN?111360279?A公開了一種單原子銅嵌入在3,4,9,10-芘四羧酸二酐分子晶格結構，可以催化硝酸根或亞硝酸根還原為氨。然而，現有技術中這些金屬或金屬摻雜材料在電催化過程中，所需施加的過電位仍然較高，材料結構穩定性較差，選擇性(法拉利效率)有待提高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種電催化硝酸根或亞硝酸根合成氨的方法，該方法采用的電催化劑具有結構穩定、制備工藝簡單、成本低廉且容易放大的優勢，可高效的將硝酸根或亞硝酸根還原生成氨。

為了達到上述目的，本發明提供以下技術方案：