[发明专利]一种高效氮还原钴锰氧化物催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供一种高效氮还原钴锰氧化物催化剂及其制备方法，按照纯铝的原子百分比为70‑80％、纯钴的原子百分比10‑20％、纯锰的原子百分比为10‑20％进行配料，在惰性保护气体氛围下，采用电弧熔炼炉将配料熔炼得到Al‑Co‑Mn合金锭，将Al‑Co‑Mn合金锭通过甩带机制成Al‑Co‑Mn合金条带，Al‑Co‑Mn合金条带置于NaOH溶液以除去Al‑Co‑Mn合金条带中的Al后，再将其置于管式炉中按照升温速率为3‑9℃/min升温至280‑650℃后保温1‑5h，自然冷却至室温20‑25℃后，即得到钴锰氧化物催化剂，其中，钴锰氧化物催化剂是由CoO和Mn₃O₄组成。该催化剂从节约成本角度出发，提高了氮还原产率和法拉第效率以及保持长时间的稳定性。

技术领域

本发明涉及电极催化材料技术领域，更具体地说涉及一种高效氮还原钴锰氧化物催化剂及其制备方法。

背景技术

NH₃在地球生态系统中的作用至关重要，广泛的应用于工业和农业，也是储氢的替代能源。20世纪之前，氮还原主要来自于微生物中的固氮酶。在1950年，Haber和Bosch发明了一种将N₂还原为的工艺过程，该工艺需要在高温(～700K)高压(～100atm)以及H₂等条件下生产，并且会产生二氧化碳致使全球气候变暖。因此，在常温常压下，电催化将N₂还原为NH₃是非常重要的。然而，电化学氮还原(Nitrogen reductionreaction,NRR)面临着打破稳定的N≡N以及提高催化活性等挑战。

目前，过渡金属及其复合材料在氮还原电催化领域受到广泛关注，包括氧化物、硫化物、磷化物、碳化物以及氮化物等。当前面临着氮还原催化剂的合成氨产率低和法拉第效率(Faraday efficiency,FE)低的问题亟待解决，故发展一种成本低而高效的氮还原催化剂，适应社会的发展，具有极为重要的意义。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，现有的氮还原催化剂存在合成氨产率低和法拉第效率低的问题，提供了一种高效氮还原钴锰氧化物催化剂及其制备方法，该催化剂从节约成本角度出发，提高了氮还原产率和法拉第效率以及保持长时间的稳定性。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

一种高效氮还原钴锰氧化物催化剂及其制备方法，按照下述步骤进行：

步骤1，制备Al-Co-Mn合金条带

按照纯铝的原子百分比为70-80％、纯钴的原子百分比10-20％、纯锰的原子百分比为10-20％、三种成分原子百分比总和为100％进行配料，在惰性保护气体氛围下，采用电弧熔炼炉将配料熔炼，原料的熔炼时间为120-240s，反复熔炼成成分均匀的Al-Co-Mn合金铸锭，然后再将Al-Co-Mn合金锭去除表层氧化皮，将Al-Co-Mn合金锭置于底端开有小孔的石英管中，将甩带机抽至真空后充入惰性保护气体后，通过电感线圈产生的涡流加热使得合金熔化，待合金完全熔化后，按下喷注键，在石英管上方和底部的压力差作用下，合金液自石英管喷嘴喷射在高速旋转的铜辊上得到合金条带，将合金条带剪成长度为2-3cm，宽度为1-2cm的段状并放入烧杯中，通过无水乙醇超声并清洗后，置于20-25℃的真空干燥箱中干燥后，即得到Al-Co-Mn合金条带。

在步骤1中，纯铝的原子百分比为80％、纯钴的原子百分比13-14％、纯锰的原子百分比为6-7％。

在步骤1中，选用高纯度的金属原料(纯度高于99.9wt％，即铝单质、钴单质、锰单质的纯度均大于等于99.9wt％)进行配料，对于活泼易氧化的金属原材料需用砂纸打磨表面去除其氧化膜，然后再清洗后进行配料。

在步骤1中，惰性保护气体为氮气、氦气或者氩气。