[发明专利]一种类自然固氮酶的FeMoSe二维纳米催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种类自然固氮酶的FeMoSe二维纳米催化剂的制备方法，能够高效进行电化学氮还原合成氨反应。首先采用超声辅助的溶剂分散技术剥离块状MoSe₂材料得到二维纳米片，然后在其上原位负载Fe原子团簇，结合Fe团簇与二维MoSe₂的协同作用提高材料的电催化固氮性能。其合成步骤为：将块状MoSe₂加入到异丙醇与水的混合液中超声分散，并离心分离，然后向上述分散液中依次加入FeSO₄溶液、NaBH₄、浓盐酸，最后洗涤和收集产物。该方法所得FeMoSe纳米催化剂的固氮性能，在工作电位为‑0.55V(vs.RHE)时，最佳氨产率高达20.138μg h^‑1mg^‑1_cat.，法拉第效率为13.65％，在能源、催化等领域中展现了广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种类自然固氮酶的FeMoSe二维纳米催化剂的制备方法，以及对其电催化活性中心的设计与实现，属于纳米材料合成领域。

背景技术

近年来，严峻的环境问题和气候变化对发展清洁、可再生能源提出了迫切需求。氨既是一种用途极为广泛的工业产品，也是一种具有高含氢量(17.7wt.％)，高能量密度(3kWh kg^–1)，储运方便的理想清洁能源载体。合成氨工业对国民经济和社会发展至关重要。目前，大规模合成氨主要采用Haber-Bosch方法，在高温高压的极端苛刻条件下实现高纯氢气和氮气在铁基催化剂表面的合成氨反应。合成氨工业每年消耗全球3％-5％的甲烷和1-2％的能源供给，并产生近2％的二氧化碳排放。因此，寻求一种绿色可持续的替代方案，特别是在温和条件下实现高效率、低能耗、少排放合成氨，已成为亟待解决的科学挑战。

自然界中，根瘤菌中的三种固氮酶FeMo-、FeV-和FeFe-可以在温和的环境温度和压力条件下合成氨。特别的，类似于固氮酶的FeMoS催化剂由于具有天然固氮作用，近年来得到了广泛的研究。例如，Azofra组(Chemistry,23,8275)的DFT计算表明，Fe沉积的MoS₂二维纳米片由于Fe与MoS₂之间的强电子相互作用，对固氮有较高的选择性，由N₂转化为NH₃的最大能量输入为1.02eV。郭等人(Nano Energy,62,282)已经开发出一种FeS@MoS杂化物,受益于两个组分的协同效应在中性电解质中的氨产量为8.45μg h^-1mg^-1_cat.，法拉第效率为2.96％。赵等人(Journal of Materials Chemistry A,7,27417)报道Fe纳米点修饰的MoS₂纳米片显示在0.1M KOH电解质中，氨产量为12.5μg h^-1mg^-1_cat.，法拉第效率为10.8％,理论计算和实验表明,Fe和MoS₂之间强电子相互作用是材料具有固氮活性的原因。最近,郭等人(Chinese Chemical Letters,30,1253-1260)表示尽管Fe掺杂的H-MoS₂显示比纯H-MoS₂更高的活性,但氨产量和法拉第效率仍然很低，分别为0.9μg h^-1mg^-1_cat.和少于2％。虽然与单一的MoS₂或FeS相比，催化活性有所提高，但其活性和稳定性仍需进一步提高，以加快大规模应用的步伐。