[发明专利]一种基于RuCl3/Cu-MOF复合催化剂的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于RuCl₃/Cu‑MOF复合催化剂的制备方法以及基于该催化剂用于催化室温氮气还原成氨的应用，属于纳米材料技术、催化技术领域。其主要步骤是将醋酸铜溶液、三氯化钌溶液和配体溶液混合，制备RuCl₃/Cu‑MOF纳米晶；将RuCl₃/Cu‑MOF纳米晶置于管式炉中，氩气气氛下700℃热解2 h，得到CuO纳米粒子和Ru纳米粒子共掺杂的碳氮基质纳米多孔复合材料，即基于RuCl₃/Cu‑MOF复合催化剂；将该催化剂用于催化室温氮气还原成氨的应用，制备工艺简单、成本低，有很好的工业前景。

技术领域

本发明公开了一种基于RuCl₃/Cu-MOF复合催化剂的制备方法以及基于该催化剂用于催化室温氮气还原成氨的应用，属于纳米材料技术、催化技术领域。

背景技术

来自分子氮和氢的氨合成是20世纪最伟大的发明之一。如今，这个具有百年历史的Haber-Bosch工艺已成为世界上大部分氨的来源，占年产量的90％。氨及其衍生物（包括尿素）是肥料的重要组成部分。据估计，如果不使用Haber-Bosch工艺中的人工肥料，全球粮食生产只能支撑当今世界人口的一小部分。然而，由于化石燃料（主要是天然气）是H₂前体的主要来源，因此继续和越来越多地使用该过程用于未来氨供应的前景造成了严重的环境问题。N₂和H₂之间反应的缓慢动力学需要升高的温度（500 °C）和压力（> 200 atm），使整个过程的能量要求极高。结果，每年消耗约2％的能源，每年释放400万吨二氧化碳，以便将氨生产维持在满足当前需求所需的水平。

电化学方法提供了将可再生电力直接转化为化学品和化学能载体的希望。因此，电催化固氮成氨技术引起全球科研着广泛关注。该技术可实现常温常压下合成氨，不仅能耗低，而且无二氧化碳排放的优势，被认为是最有前景的工业合成氨的技术之一。然而，电催化固氮要走向大规模工业应用，开发非贵金属催化剂替代贵金属催化剂，降低生产成本是亟待解决的问题。

金属有机框架物（MOFs）是指过渡金属离子与有机配体通过自组装方式形成的具有周期性的网络结构的晶体多孔材料，其三维孔结构包括两个重要的组分：结点（connectors）和联接桥（linkers），一般以金属离子为结点，有机配位体支撑构成空间3D延伸，具有其得天独厚的优势：孔道的大小、比表面积、活性位点和刚柔性都是可以通过合理的选择金属离子和有机配体来进行分子调控然。然而MOFs作为室温固氮成氨催化剂的活性及稳定性均有待于提高。

发明内容

本发明的技术任务之一是为了弥补现有技术的不足，提供一种基于RuCl₃/Cu-MOF复合催化剂的制备方法，该方法制备工艺简单、成本低、耗时短，有很好的工业前景。

本发明的技术任务之二是提供所述催化剂的用途，即将该催化剂用于催化室温氮气还原成氨的应用，具有很高的催化效率和稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1. 一种基于RuCl₃/Cu-MOF复合催化剂的制备方法

（1）制备RuCl₃/Cu-MOF纳米晶

将0.8-1.0 mmol的醋酸铜和0.50-0.60 mg的三氯化钌与8-10 mL水共混，180 W超声2-4 min，得到醋酸铜和三氯化钌的混合液;

将0.8-1.0 mmol 的配体H₂sala和0.8-1.0 mmol 的LiOH加入到8-10 mL水中，搅拌25-30 min, 得到澄清的配体溶液；