[发明专利]一种电催化硝酸根或亚硝酸根合成氨的方法

说明书

本发明公开了一种电催化硝酸根或亚硝酸根合成氨的方法，该方法采用的电催化剂为金属‑金属氧化物，所述金属‑金属氧化物本身作为阴极或者负载于导电材料表面作为阴极，所述金属‑金属氧化物选自钌‑氧化钌、铜‑氧化铜、铜‑氧化亚铜、镍‑氧化镍、铁‑三氧化二铁、铁‑氧化亚铁、铁‑四氧化三铁、钴‑氧化钴、钴‑四氧化三钴、锌‑氧化锌中的一种或多种组合。本发明所提供的催化电极材料结构稳定，制备工艺简单，可以有效放大制备，实现其在将含硝酸根或亚硝酸根废水变为有价值的氨的应用。本发明所提供的催化电极材料，可以实现高效地电催化硝酸根或亚硝酸根还原为氨，选择性高。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种电催化硝酸根或亚硝酸根合成氨的方法。

背景技术

硝酸铵、尿素等氮肥的使用对过去一个世纪的农业生产贡献显著。然而，氮的利用效率通常低于40％，因此施肥中的大部分氮不会被吸收入植物中，而是很容易从土壤中浸出到地下水中。因此，由于过度施肥以及工业废水和人类排泄物不断增加硝酸盐或亚硝酸盐的浓度(NO^3-/NO^2-)。在地下水、河流、湖泊和沿海地区，造成严重的环境问题，例如富营养化。

为了去除废水中的硝酸盐或亚硝酸盐用于水环境的反硝化和修复，已经做出了许多努力，例如：生物法、离子交换法以及膜分离等方法，但是这些方法往往具有反应条件苛刻、反应速率慢、设备成本高等缺点。在众多的努力中，硝酸盐或亚硝酸盐的电化学还原得到了相当大的关注，由于它所需的电可以由可再生能源提供(如太阳能或风能)。在电极-电解质界面处还原水中的硝酸盐和亚硝酸盐可能非常有效，产生各种产物，例如：氮气，溶解氨(NH₃)或NH⁴⁺，以及亚硝酸盐NO^2-。许多研究旨在将硝酸盐NO^3-或亚硝酸盐NO^2-选择性的电催化转化为N₂，可以直接排放到环境空气中，然而，由硝酸盐NO^3-或和亚硝酸盐NO^2-向N₂的转化，没有价值相比，从废水中硝酸盐NO^3-或亚硝酸盐NO^2-生产NH₃可以作为另一种途径，能更有效地利用电能，而且溶解于水中的NH₃能够99％被回收。与工业生产通过Haber-Bosch工艺合成NH₃，这样的高度能源密集和依赖于化石燃料的方法相比，从水中NO^3-或NO^2-电化学合成NH₃，是一个可以实现使用可再生的电能生产NH₃的可持续，碳中和过程，并能平衡被过度施肥引起的氮循环问题，也为缓解由化石燃料驱动氮转化引起的全球能源和环境问题提供了一个有前景的策略。

相关技术也有报道，中国专利CN 111359615 A通过静电纺丝和煅烧法制备了一种镍掺杂的碳材料，该材料可将水体中的亚硝酸根电化学还原为氨。中国专利CN 112981451A利用硼氢化物处理金属制备金属电极，用于电催化硝酸根或亚硝酸根还原为氨。中国专利CN 111360279 A公开了一种单原子铜嵌入在3,4,9,10-芘四羧酸二酐分子晶格结构，可以催化硝酸根或亚硝酸根还原为氨。然而，现有技术中这些金属或金属掺杂材料在电催化过程中，所需施加的过电位仍然较高，材料结构稳定性较差，选择性(法拉利效率)有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电催化硝酸根或亚硝酸根合成氨的方法，该方法采用的电催化剂具有结构稳定、制备工艺简单、成本低廉且容易放大的优势，可高效的将硝酸根或亚硝酸根还原生成氨。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：