[发明专利]一种电化学合成氨的催化剂及其制备方法和阴极材料

说明书

本发明提供了一种电化学合成氨的催化剂，所述电化学合成氨的催化剂为硼、氮共掺杂的碳纳米纤维，其中硼的含量为15～40％、氮的含量为10～30％，作为电化学合成氨的催化剂，具有优越的电化学性能和良好的稳定性。本发明还提供一种电化学合成氨的催化剂的制备方法，包括：(1)将聚丙烯腈与硼酸混合，溶于DMF溶液中，得到混合液；(2)将混合液置于高压电场进行静电纺丝，并将得到的原丝干燥；(3)将步骤(2)干燥后的原丝进行高温处理，待温度降至室温后获得硼、氮共掺杂的碳纳米纤维。该制备方法具有简单高效、成本低、可控性高、适合工业化生产等优点。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种电化学合成氨的催化剂及其制备方法和阴极材料。

背景技术

氨氮是一种无色，具有刺激性气味的碱性气体，是生产氮肥的重要原料，同时也被认为是一种能量存储的媒介和氢的来源，在未来的氢能经济中将扮演重要角色，由于氨氮的广泛应用，全球对氨氮的产量和品质都有了更高的要求，这也就促使人类开发低能耗、低污染、高产量的合成氨工艺。

目前，合成氨的工艺包括热合成法(哈伯-博施法)、生物酶催化合成、电化学合成氨。工业上普遍采用哈伯-博施法，以氮气和氢气为原料，采用铁系催化剂，在高温(400-600℃)高压(20-40Mpa)的条件下合成氨。但是，该方法的转化率只有15％左右，而且苛刻的反应条件会消耗大量的化石燃料，排出二氧化碳等温室气体，对化石能源具有强烈的依赖性。但是，电化学催化还原氮气合成氨突破了合成氨工艺在热力学上的限制，打破了传统工艺对化石能源的依赖并且没有温室气体的产生，逐渐成为合成氨的研究热点。

目前为止，低温电化学合成氨催化剂主要为贵金属元素催化剂和非贵金属元素催化剂。如公开号为109126782A的专利文献公开了一种用于电化学合成氨的多孔PdRu合金催化剂及其制备方法，将氯化酸钾和氯化钌溶解于去离子水中，它们的浓度控制在10-40mM之间；然后将硼氢化钠溶解于去离子水中，浓度控制在5-50mM之间；然后在搅拌状态下，将新鲜合成的硼氢化钠溶液快速的加入到贵金属前驱体溶液中，待反应1-5分钟后，洗涤、离心、干燥，得到结构和组分可控的PdRu合金催化剂。如公开号为CN108754534A的专利文献公开了一种电催化合成氨的铁基非贵金属催化剂及制备方法。采用电化学沉积法将二价铁盐溶液中的二价铁离子还原并沉积至导电载体表面，所述二价铁盐溶液中含有二价铁盐、还原剂、邻磺酰苯酰亚胺和十二烷基硫酸钠。

虽然贵金属元素催化剂催化效率高，但是由于昂贵的价格，稀少的资源限制了其大规模的应用。虽然非贵金属元素催化剂的成本较低，但合成氨速率还有待于进一步提高。因此，设计一种简单、高效、低成本、产物品质可控又适合大规模生产应用的阴极产氨材料制备方法对早日实现工业化生产，进而解决能源危机和环境污染等问题具有重大意义。碳材料因成本较低且性能高效，逐渐成为了电化学合成氨催化剂领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电化学合成氨的催化剂，具有优越的电化学性能和良好的稳定性；本发明还提供了电化学合成氨的催化剂的制备方法，具有简单高效，成本低，可控性好，适合工业化生产等优点。

一种电化学合成氨的催化剂，所述电化学合成氨的催化剂为硼、氮共掺杂的碳纳米纤维，所述硼、氮共掺杂的碳纳米纤维中硼的含量以原子含量计，为15～40％；氮的含量以原子含量计，为10～30％。

优选的，所述硼、氮共掺杂的碳纳米纤维中硼的含量以原子含量计，为35～40％；氮的含量以原子含量计，为10～25％，用作电化学合成氨的催化剂时的催化性能更好，具有较高的法拉第效率和氨的生成速率。

本发明还提供一种电化学合成氨的催化剂的制备方法，包括：

(1)将聚丙烯腈与硼酸混合，溶于DMF溶液中，得到混合液；

(2)将混合液置于高压电场进行静电纺丝，并将得到的原丝干燥；