[发明专利]一种用盐桥取代Nafion膜的电催化氮还原合成氨的装置及其方法

说明书

本发明属于化工和电催化技术领域，一种用盐桥取代Nafion膜的电催化氮还原合成氨的装置及其方法，其中装置，包括盛有电解液的阳极池和阴极池，阳极池内部悬挂有阳极板并浸没于电解液中，阳极板通过导线与电源正极相连，阴极池内部悬挂有阴极板和参比电极并浸没于电解液中，阴极池内部设置有氮气通入管路并浸于电解液中，阴极池顶部还设置有气体出口，阴极板通过导线与电源负极相连，所述盛有电解液的阳极池和阴极池通过盐桥连接。本发明具有以下优点，一是可消除氨在Nafion膜上的扩散、吸附对氨浓度测定的影响，实现催化剂的客观精准评价。二是可实现NRR过程的长期稳定性操作。三是与Nafion膜相比，成本降低。

技术领域

本发明涉及一种用盐桥取代Nafion膜的电催化氮还原合成氨的装置及其方法，属于化工和电催化技术领域。

背景技术

氨(NH₃)是一种重要的化工产品，在众多领域有广泛的应用和不可替代的地位。工业上，目前主要采用传统的Haber-Bosch法合成氨，该方法存在操作条件严苛(300-550℃,200-350atm)、能耗高、环境污染严重等问题，因此，需要开发新的绿色化新技术。室温条件下的电催化氮气还原合成氨(NRR)，是目前国内外广泛关注的热点之一，该技术路线具有操作条件温和、直接以水为质子源等突出的优势。H型电解池是一种普遍使用的NRR装置，其阴阳两室用隔膜隔离，目前采用的隔膜主要是Nafion膜。对于这种H型电解池，产生的氨会在Nafion膜上发生一定程度上的吸附与扩散，致使NRR过程氨的测量产生误差，最终无法对催化剂的性能做出客观的准确评价；目前NRR过程合成氨的浓度和数量尚处于相对较低的水平，迫切需要对此核心问题提出相应的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种用盐桥取代Nafion膜的电催化氮还原合成氨的装置及其方法，用以消除氨在Nafion膜上的扩散、吸附对氨浓度测定的影响，实现NRR过程的长期稳定性操作。解决了NRR过程产生的氨会在H型电解池中的Nafion膜上发生一定程度上的吸附与扩散行为，致使NRR过程氨的测量产生误差，最终无法对催化剂的性能做出客观的准确评价的问题。

为了实现上述发明目的，解决现有技术存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种用盐桥取代Nafion膜的电催化氮还原合成氨的方法，包括以下步骤：

步骤1、分别向阴极池和阳极池中注入20-50mL电解液；

步骤2、利用滴涂法，以负载有RuO₂或MoS₂负载量为0.1-1mg的1×1cm²的碳纸作为阴极板，铂片作为阳极板，参比电极选自Hg/HgO或Ag/AgCl中的一种，盐桥内部填充的电解质溶液选自饱和氯化钾溶液、饱和氯化钠溶液或饱和氯化锂溶液中的一种，盐桥两个端口处采用含琼脂的脱脂棉、玻璃砂芯或陶瓷砂芯加以密封并浸入电解液中；

步骤3、打开氮气通入管路入口，以10-50mL min^-1流速通入高纯氮气30-50min后，启动电源开关，设置所需电压持续1-4h电解；

步骤4、采用纳氏试剂分光光度法检测反应后电解液的氨浓度及吸光度。

所述方法中采用的装置，包括盛有电解液的阳极池和阴极池，阳极池内部悬挂有阳极板并浸没于电解液中，阳极板通过导线与电源正极相连，阴极池内部悬挂有阴极板和参比电极并浸没于电解液中，阴极池内部设置有氮气通入管路并浸于电解液中，阴极池顶部还设置有气体出口，阴极板通过导线与电源负极相连，所述盛有电解液的阳极池和阴极池通过盐桥连接，所述盐桥呈U字型的圆形或方形管路，其材质选自玻璃、有机玻璃或塑料中的一种。