[发明专利]一种花簇状FeS2

说明书

本发明公开了一种花簇状FeS₂@C固氮催化剂的制备方法及应用，其制备方法包括步骤：将六水三氯化铁、1,3,5‑均苯三甲酸和聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)溶于水溶液中，超声形成均匀的溶液，然后将溶液加入反应釜中于130℃反应72小时，待温度降至室温，经离心、洗涤、干燥，得到MIL‑100(Fe)@PVP前驱体；再将MIL‑100(Fe)@PVP和硫脲加入反应釜中，并在200℃下水热反应24小时，冷却至室温后，经硫酸和去离子水分别洗涤，烘干得到FeS₂@C复合材料。本发明方法操作简单、成本低廉、原材料获取广泛。该催化剂用于常温常压条件下的电催化固氮，具有优异的电催化产氨活性。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种FeS₂@C复合材料的制备以及该复合材料在电催化固氮中的应用。

背景技术

氨是基本的化工原料，在经济生产中占有重要地位。氨可用来生产化学肥料，氮肥和复合肥料基本都是以氨为原料生产的，在农业中应用广泛。目前为止，固氮类型可分为：高能固氮、生物固氮和工业固氮。高能固氮多为大自然中闪电产生的高能量促使氨的形成，生物固氮是利用某些生物的生物作用或仿生技术进行的固氮，工业固氮主要为Haber-Bosch工艺来生产氨。Haber-Bosch工艺需要在高温高压条件(350-550℃，150-350atm)下进行反应，耗能较高且污染环境。考虑到化石燃料的短缺与全球气候的变化，探索在温和条件下发生合成氨的催化反应尤为重要。

电催化固氮近年来被证实可在温和条件下进行，是一种潜在的合成氨替代技术。目前电催化合成氨面临的主要问题是较低的产氨效率和法拉第效率，这主要是因为在常温常压下，由于氮气中的氮氮三键非常牢固，氮气和氢气的反应在反应动力学上非常难以进行，而且由于析氢电位和氮还原电位非常接近，析氢反应作为竞争反应会严重制约氮还原合成氨的效率，所以在氮气还原和析氢反应中寻找一个平衡点将有助于促进电催化固氮。在生物固氮中，固氮酶的铁蛋白和钼铁蛋白催化固氮反应的进行，所以模仿固氮酶利用铁元素与钼元素应用于电催化固氮可能会取得不错的效果。近年来，有许多研究涉及铁元素与钼元素的固氮催化剂，然而它们的产氨率与法拉第效率还亟需提升。

MOFs材料是指金属离子与有机配体自组装形成的具有网络结构的周期性晶体多孔材料。它具有高孔隙率、孔道规则和大比表面积等优点。由于MOFs材料具有这些优点，利用MOFs材料为前驱体制备的复合物可能会提升固氮性能。目前，研究人员将金属纳米颗粒负载到MOFs材料上进行光催化固氮研究，发现MOFs材料对氮气的吸附和金属纳米颗粒的热电子作用协同促进光催化固氮，将MOFs材料应用于电催化固氮有很好的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用水热法将MIL-100(Fe)@PVP和硫脲合成的FeS₂@C复合材料，用于电催化固氮。

本发明涉及一种用于电催化固氮的FeS₂@C复合材料催化剂，该电化学工作电极由碳布和碳布上包裹的复合材料FeS₂@C构成，该工作电极的合成按以下步骤进行：

一、MIL-100(Fe)@PVP的制备：将六水三氯化铁，1,3,5-均苯三甲酸和聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP)溶于水溶液中，超声形成均匀的溶液。然后将溶液加入反应釜中，在一定温度下反应一段时间，冷却至室温，离心，洗涤，真空干燥，得到MIL-100(Fe)@PVP。

二、FeS₂@C复合材料的制备：将MIL-100(Fe)@PVP和硫脲以一定质量比加入去离子水中，搅拌3小时，加入反应釜中，在一定温度下反应一段时间，冷却至室温，离心，洗涤，真空干燥，得到FeS₂@C。

三、工作电极的制备：将上述复合材料进行研磨，取一定量的FeS₂@C复合材料，加入到含有异丙醇和nafion的水溶液中，进行超声。取适量的混合均匀的溶液滴涂在活化好的碳布上，静置。