[发明专利]用于电化学合成氨的高比表面积钼酸铁催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及用于电化学合成氨的钼酸铁催化剂技术领域，是一种用于电化学合成氨的高比表面积钼酸铁催化剂及其制备方法和应用，该高比表面积钼酸铁催化剂以钼酸铵、铁盐作为原料，以氢氧化铝作为硬模板剂，进行机械研磨；然后在空气气氛和一定温度下高温煅烧；最后将其加入一定浓度的NaOH溶液中，除去铝元素，得到高比表面积钼酸铁催化剂。将本发明所述钼酸铁催化剂用于电化学合成氨反应中，具有活性好，价格低廉，便于规模化生产，表现出显著提升的电化学合成氨产氨速率和法拉第效率。该方法利用高比表面积的非贵金属钼酸铁作为电催化合成氨催化剂；此外，利用机械化学法制备所述催化剂能显著减少工业污水的排放和水资源的浪费。

技术领域

本发明涉及用于电化学合成氨的钼酸铁催化剂技术领域，是一种用于电化学合成氨的高比表面积钼酸铁催化剂及其制备方法，还包括所述用于电化学合成氨的高比表面积钼酸铁催化剂在电化学合成氨中的应用。

背景技术

氨气是一种具有刺激性气味的、无色、碱性的气体。氨对人类的生存和发展具有至关重要的作用，合成氨工业是化学工业的支柱产业，对化肥、染料、医药等其他化学工业的发展具有极其重要的作用。目前工业上制备氨主要是通过Haber-Bosch法，该法是将氮气和氢气在高温、高压（350℃至550℃和15MPa至35MPa）和铁催化剂的作用下合成氨，因此需要消耗大量的能源和化石燃料来驱动该反应的进行。此外，该工艺在合成氨的同时，会消耗大量的能源并排放出大量的二氧化碳。因此，迫切地需要发展一个可行的合成方法来替代Haber-Bosch工艺，来实现在温和的条件下，高效、可持续、经济地生产氨。

电化学合成氨作为一种可供选择的策略，由于其可以在温和的条件下，用电化学的方法将原料氮气和水转化成氨，引起了广泛的研究兴趣。而电化学合成氨的关键是要设计一种高催化活性和高选择性的催化剂。目前电化学合成氨所使用的催化剂主要包括贵金属和非贵金属催化剂两类，贵金属催化剂中常用金、银、钌和钯等金属元素与铁矿载体或导电金属相结合，常用浸渍法制成阴极催化材料，该类催化剂性能优越，但其导电性较差、价格昂贵和储量稀缺等缺点限制了它们的应用及发展。非贵金属电化学合成氨的催化剂，例如BP、Fe₂O₃、MoO₃、MoO₂、Mn₃O₄、MnO₂等，一般具有较低的法拉第效率（FaradayEfficiencies, FEs）。因此开发储量丰富、价格低廉的高性能电催化合成氨催化材料具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种用于电化学合成氨的高比表面积钼酸铁催化剂及其制备方法和应用，克服了上述现有技术之不足，所述用于电化学合成氨的高比表面积钼酸铁催化剂为一种非贵金属氧化物催化剂，该非贵金属氧化物催化剂在电化学合成氨反应中，具有活性好、高法拉第效率、价格低廉、易于规模化生产等特点。

本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种用于电化学合成氨的高比表面积钼酸铁催化剂（后续简称为高比表面积钼酸铁催化剂）的制备方法，按下述方法进行：

第一步，将钼酸盐和铁盐按照钼铁摩尔比为1.5混合均匀；

第二步，以氢氧化铝作为硬模板剂，与第一步的钼酸盐和铁盐的混合物进行混合，其中钼酸盐和铁盐的混合物总质量与氢氧化铝的质量比为1:0.1至2.0；

第三步，将钼酸盐、铁盐和氢氧化铝的混合物进行球磨；

第四步，将球磨后的样品干燥除去水分；

第五步，在空气氛围下进行焙烧，使上述干燥后的样品转化为氧化物和钼酸铁,焙烧温度为350℃至600℃，焙烧时间为2h至8h；

第六步，将焙烧后的样品放入氢氧化钠水溶液中，在一定温度下搅拌，利用氢氧化钠刻蚀并溶解铝的氧化物；

第七步，将经氢氧化钠溶液处理后的样品离心，并依序经去离子水和乙醇洗涤，最后干燥得到高比表面积钼酸铁催化剂。