[发明专利]氨的电解生产

说明书

用于电解产生氨的方法和系统。所述方法包括：将气态氮气进料至电解池，在所述电解池中气态氮气与阴极电极表面接触，其中所述表面具有包含氮化物催化剂的催化剂表面，所述电解池包含质子供体；并且使电流流经所述电解池，由此氮气与质子反应来形成氨。本发明的方法和系统使用具有阴极表面的电化学池，所述阴极表面具有催化表面，所述催化表面优选装有氮化钒、氮化铬、氮化锆、氮化铌、氮化铁或氮化锇中的一种或多种。

领域

本发明属于工艺化学领域，并且明确地涉及利用电解方法来产生氨，和用于其的新催化剂。

引言

氨是世界上最高产化学品中的一种。现今公认为哈伯-博施(Haber-Bosch)工艺的工业氨合成是首个多相催化系统，是氮肥全球工业生产的关键要素。当今，氨还作为可能的能量载体和具有高能量密度但无CO₂排放的潜在运输燃料而获得关注。集中和需要能量的哈伯-博施工艺需要高压(150-350atm)和高温(350-550℃)来通过以下反应在钌基或铁基催化剂之上直接解离和组合氮气和氢气分子来形成氨：

此工业方式的缺陷是因动力学和热力学理由所需的高温和高压。另一和更严重的缺陷在于氢气产自天然气。该多步骤工艺占据整个化工厂的最大部分，并且是最昂贵的和相对于环境而言不友好的。这是需要可持续工艺的最大理由，因为天然气将在某一时刻耗尽。因此，使用较少能量和环境条件的用于分散氨生产的小规模系统将具有重大意义。此外，为了使氨合成的效率最优化，能够以合理速率但在更温和条件下使双氮氢化的新催化剂将非常受赞赏。

分子氮N₂中的三键极强，并且因此氮是非常无活性的并常常用作惰性气体。该键通过哈伯-博施工艺中的苛刻条件来断裂，然而，在自然过程中，该键还在环境条件下通过微生物经由固氮酶来断裂。固氮酶的活性位点是MoFe₇S₉N簇，该簇由溶剂化质子、电子和大气氮经由以下电化学反应来催化氨形成：

N₂+8H⁺+8e^-→2NH₃+H₂ (2)

受自然界启发，作为哈伯-博施工艺的替代方式，用于在环境条件下合成氨的生物固氮已吸引了很多注意。尝试开发类似电化学过程的很多工作已在研究中。尽管此类研究已对氨形成的过程提供了见解，但对于实践应用而言动力学仍过于缓慢，并且在大多数情况下，与氮气的质子化相比，更容易主导形成氢气。通过质子和电子还原双氮来在室温和压力下选择性形成氨已证明比预期的更加具有挑战性。

发明内容

本发明人已意外发现某些金属氮化物催化剂可在用于产生氨的电化学过程中使用。这已导致了本发明，使得可在环境室温和大气压下生产氨。

在第一个方面中，本发明阐述用于产生氨的方法，所述方法包括：将气态氮气进料至电解池，在所述电解池中气态氮气与阴极电极表面接触，其中所述表面具有包含氮化物催化剂的催化剂表面，所述电解池包含质子供体；并且使电流流经所述电解池，由此氮气与质子反应来形成氨。本发明的另一个方面提供用于生成氨的系统，所述系统包括具有阴极电极表面的电化学池，所述阴极电极表面具有催化表面，所述表面装有催化剂，所述催化剂包含选自由以下组成的组的一种或多种氮化物：氮化钪，氮化钛，氮化钒，氮化铬，氮化锰，氮化铜，氮化钇，氮化锆，氮化铌，氮化钼，氮化银，氮化铪，氮化钽，氮化金，氮化铁，氮化钴，氮化镍，氮化钌，氮化铑，氮化钯，氮化锇和氮化铱。