[发明专利]一种自支撑多孔Fe

说明书

一种自支撑多孔Fe₂O₃纳米棒阵列电催化剂，由如下方法制备：将1～10mmol九水合硝酸铁和1～10mmol无水硫酸钠溶解在20～100mL超纯水搅拌，将澄清溶液转移到不锈钢聚四氟乙烯高压釜中，并将一块碳布(2×4cm)浸入该溶液中；随后，将高压釜密封并在烘箱中加热至80～160℃并保持4～8小时；冷却至室温后，收集所得产物，用去离子水和乙醇洗涤数次，并在真空下干燥，最后，将产物在N₂中在300～600℃下煅烧2～8小时。以及提供一种自支撑多孔Fe₂O₃纳米棒阵列电催化剂的制备方法。本发明制备工艺简单，反应时间短，在常温常压下，制得的材料具有优异的电化学催化还原氨性能。

技术领域

本发明涉及一种自支撑多孔Fe₂O₃纳米棒阵列电催化剂及其制备方法，该催化剂可用于电化学催化氮气还原反应的研究。

背景技术

在过去几十年里，氨不仅是生产化肥的重要化学品，而且因为其具有高氢含量，燃烧后无二氧化碳排放，易于储存和运输等特别被誉为一种有前途的能源载体。合成氨的主要困难在于N≡N键能太强。目前，工业上主要利用Haber-Bosch(H-B)工艺进行合成氨，利用Fe基催化剂，在高温(400-600℃)、高压(20-40MPa)将N₂和H₂下转化为NH₃。然而，用此方法合成氨过程每年需要消耗1-2％的全球电力供应和5％的世界天然气产量，并且造成了大量的二氧化碳排放。因此，开发可持续和环境友好的大规模氨合成方法是一个迫切的问题。

常温常压电化学还原N₂合成氨该过程可以在常温常压下进行。设备简单易操作，相比于Haber-Bosch反应，可以大大地节省设备和操作费用。原料N₂和水在地球上有丰富的储量，而且简单易得。基于电化学过程的N₂还原，电能可以从太阳能、风能等可持续能源转换得到，将具有很强的吸引力。

然而，这种合成氨方法目前缺乏高性能、价格低廉的氮还原反应(NRR)电催化剂。研究证明贵金属催化剂(例如Ru，Au，Rh，Pd)利于电催化合成氨，但是它们的成本过高不适合工业生产的要求。有相关研究已经证明Fe基催化剂可能是氨生产中的一种可行的电催化剂。同时，与块状金属氧化物相比，具有发达孔隙结构的金属氧化物可提供足够的活性位点和传质通道，从而提高催化性能。另外一种促进电催化性能的策略是在导电上生长自支撑活性材料，这样可以避免使用导电胶，保证活性材料的高利用率。此外，高导电性基底材料可以提供三维(3D)多孔网络结构，有效促进电荷转移和质量传递。因此，开发自支撑的多孔Fe基催化剂对于电催化氮还原成氨的应用具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种自支撑多孔Fe₂O₃纳米棒阵列电催化剂及其制备方法，以及对催化电化学氮气还原反应进行研究。

本发明采用的技术方案是：

一种自支撑多孔Fe₂O₃纳米棒阵列电催化剂，由如下方法制备：

(1)将1～10mmol九水合硝酸铁和1～10mmol无水硫酸钠溶解在20～100mL超纯水中搅拌，将澄清溶液转移到不锈钢聚四氟乙烯高压釜中，并将一块碳布(2×4cm)浸入该溶液中；随后，将高压釜密封并在烘箱中加热至80～160℃并保持4～8小时；

(2)冷却至室温后，收集所得产物，用去离子水和乙醇洗涤数次，并在真空下干燥，最后，将产物在N₂中在300～600℃下煅烧2～8小时。

在常温常压下进行电化学催化氮还原反应，具体性能测试操作过程为：