[发明专利]一种在温和条件下合成氨的原子级活性位点催化剂制备方法

说明书

本发明公开了一种能够在温和条件下催化氮气氢气合成氨气的原子级活性位点催化剂的制备方法，该催化剂以还原氧化石墨烯(RGO)和二硫化钼(MoS₂)为复合载体、原子级分散的铂(Pt)为活性组分，合成的Pt‑MoS₂/RGO催化剂可以显著提高合成氨的速率。复合载体具有MoS₂的强吸附性能以及RGO良好的导电性能，MoS₂以多层形式沉积在RGO表面,两者形成了连续的电子传输网络,原子级的Pt均匀分散在复合载体上，达到了原子分散的极限，显著提高了合成氨反应的活性与稳定性，使合成氨反应能够在温和条件下驱动，降低了传统合成氨工业的能耗。

技术领域

本发明属于合成氨催化剂制备方法领域，具体涉及一种在温和条件下催化氮气氢气合成氨气的原子级活性位点催化剂的制备方法。

背景技术

氨的工业合成主要依赖于能源密集型的Haber-Bosch工艺，该工艺要求高温(300～550℃)、高压(15～25MPa)操作条件，是一个高能耗、高二氧化碳排放的过程。为了降低能耗，人们开始在温和条件下对合成氨进行探索。

目前主流的在温和条件下合成氨技术有光催化合成氨、电催化合成氨、人工仿生催化合成氨及热催化合成氨。利用太阳能光催化合成氨技术，受限于氮气分子极高的化学稳定性带来的对于氮气分子的吸附，活化和解离过程的限制，这导致光催化合成氨的产率较低。此外，氮气分子在水溶液中极低的溶解度以及水氧化反应缓慢的动力学特征，限制了反应物氮气和质子的供应，进一步影响光催化合成氨的效率。光催化合成氨过程中还存在大量的可见-红外光谱区域太阳光被浪费的问题，太阳能-化学能转换过程效率普遍较低。电催化合成氨借助外部输入的电能实现温和条件下合成氨，具有降低能耗，清洁无污染等优点。科研人员通过对催化剂进行修饰改性、加入助催化剂等方法希望提高电催化合成氨性能，但是电催化合成氨受限于析氢反应(HER)电位和氮还原电位非常接近带来的竞争性析氢反应，产氨速率和法拉第电流效率仍然偏低，未来需要研发更高效的非贵金属催化剂提高电化学合成氨性能。人工仿生催化合成氨是通过人工的方法模拟自然界中生物固氮酶的Fe-Mo协同催化机制。不同于传统的工业合成氨过程，生物固氮可以在温和条件下进行，不受多相热催化合成氨高温高压催化条件的限制，以优先结合加氢机制降低N₂的活化能垒，并规避–Evans–Polanyi(BEP)关系的限制。但是，由于人们对于生物固氮机理还未完全了解，目前在温和条件下通过人工模拟生物固氮机制合成氨效率仍旧很低，并不适合大规模推广应用。在传统热催化过程中，多利用过渡金属催化剂催化氮气氢气合成氨气，但N₂分子解离会受到BEP关系的限制，N₂分子活化势垒与反应中间物种吸附能间存在矛盾关系，一个理想的合成氨催化剂应该能平衡两者之间的关系，在火山型曲线的顶部附近。在热催化合成氨过程中，需要打破BEP关系的限制，才有可能实现氨的高效合成。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种在温和条件下催化氮气氢气合成氨气的原子级活性位点催化剂制备方法。合成的Pt-MoS₂/RGO催化剂可以显著提高合成氨反应的活性与稳定性，使合成氨反应能够在温和条件下驱动。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种在温和条件下催化氮气氢气合成氨气原子级活性位点催化剂，包括以下步骤：

一种在温和条件下催化氮气氢气合成氨气原子级活性位点催化剂，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、还原氧化石墨烯载体的制备：