[發明專利]一種基于金屬鎂的介質循環固氮合成氨的方法

在審

• 申請號: 202211434005.6
• 申請日: 2022-11-16
• 公開（公告）號: CN116102035A
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 丁良鑫;陳斯波
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C01C1/02
• 分類號: C01C1/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 桂婷

本發明公開了一種基于金屬鎂的介質循環固氮合成氨的方法，具體包括：金屬鎂與氮氣在高溫下反應生成氮化鎂，氮化鎂加入水中生成氫氧化鎂沉淀和氨氣，在氫氧化鎂溶液中通入氯化氫氣體得到氯化鎂溶液，并進一步加熱脫水得到無水氯化鎂，得到無水氯化鎂電解得到氯氣和金屬鎂，氯氣在水電解產生的氫氣中點燃得到氯化氫氣體；如此形成一個完整的循環過程。相比于金屬鋰介導的合成氨的循環過程，鎂離子還原為金屬鎂的過電位低于鋰離子還原為金屬鋰，因此電解氯化鎂的所需的電能要低于電解氯化鋰，所需提供的電能成本更少，僅需額外提供一些反應熱能。金屬鎂介導合成氨體系更適合于在各種化工產業中作為消耗多余電能和熱能的補充，具有較好的應用前景。

技術領域

本發明涉及一種合成氨的方法，具體涉及一種基于金屬鎂的介質循環固氮合成氨的方法。

背景技術

氮是地球上生命體和現代工業社會的基本組成部分。氨(NH₃)被認為是現代最常見的化學品，并廣泛應用于化工領域，同時NH₃容易儲存與運輸，在未來氫經濟中扮演著重要的角色。目前，唯一具有工業規模的合成氨技術是德國化學家哈伯和博世在20世紀初開發的以氣相N₂和H₂為原料的合成氨工藝。哈伯法工藝存在條件苛刻、對設備要求高、能耗高(每年消耗全球2％能源供給)、轉化率低等問題，越來越不符合經濟社會發展的要求。特別是在滿足小規模合成氨的需求時，哈伯法合成氨裝置不僅前期需要投入巨大的建設成本，規模比較小相應的經濟效益也會更低。

相比哈伯法，電化學合成氨近年來已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。但是目前該工藝存在一些技術難點有待突破，使其產氨速率、法拉第效率等性能不高，距離商用化生產差距較大。

因此，目前提出一種金屬介導的合成氨策略，以金屬鎂為例，金屬鎂和氮氣反應得到氮化鎂，再繼續與水反應后得到氫氧化鎂和氨，氫氧化鎂再通過反應后電解得到金屬鎂，形成金屬的循環使用，電能是該循環中最大的消耗。相較于金屬鋰，金屬鎂的還原電位更低。因此，在同一條件下，將鎂鹽還原為金屬鎂的理論消耗電能更少。另外，金屬鎂在存儲和運輸過程中所需的成本也低于金屬鋰。

發明內容

本發明至少解決以上工業哈伯法合成氨的現有問題，另外相比于金屬鋰參與循環合成氨的方法有一定技術成本的優勢。本發明的目的在于提供一種基于金屬鎂的介質循環固氮合成氨的方法。

本發明提供了一種金屬鎂為關鍵介導，能夠循環參與固氮合成氨的方法，具體包括：金屬鎂與氮氣在高溫下反應生成氮化鎂，氮化鎂加入水中生成氫氧化鎂沉淀和氨氣，在氫氧化鎂溶液中通入氯化氫氣體得到氯化鎂溶液，并進一步加熱脫水得到無水氯化鎂，將無水氯化鎂加熱至熔融狀態(700℃)，電解得到氯氣和金屬鎂，氯氣在水電解產生的氫氣中點燃得到氯化氫氣體；如此形成一個完整的循環過程。

本發明中，金屬鎂作為固氮的主要載體，在循環過程中可以再生，且除了一些不可避免的損耗外沒有明顯的消耗過程。

本發明中，只有氮氣與水作為合成氨過程中的化工原料，以及電能作為推動循環進行的驅動力。

本發明中，金屬鎂作為關鍵的介質，通過電解熔融氯化鎂得到金屬鎂實現循環再生過程。

本發明中，除了氮氣和水外，其余參與合成氨循環過程的原料可實現百分比的再生，除不可避免的損耗外，金屬鎂和氯氣的循環效率可接近100％。

本發明的優勢在于可以利用化工產業中多余的電能和熱能來實現小規模的合成氨。將難以儲存的電能和熱能轉化為高能量比、穩定的化學能。

本發明的優勢在于可以利用化工產業中多余的電能和熱能來實現小規模的合成氨。將難以儲存的電能和熱能轉化為高能量比、穩定的化學能。

相比于工業哈伯法，金屬鎂介導合成氨體系對于反應裝置的所需要求更低，更有利于在小規模合成氨的裝置設計中控制成本。