本发明专利技术公开了一种常温下催化氮气和氢气生成氨气的催化剂制备方法，包括以下步骤：(1)使用甲基锂制备法制备三甲基碘化铂和三甲基碘化钌；(2)六甲基‑甲基环戊二烯合铂钌的制备；(3)原子层沉积技术制备Ru‑Pt/TiO2单原子催化剂。与现有催化剂相比，本发明专利技术的优势在于：催化剂Ru‑Pt/TiO2效率高，寿命长，有较强的抗中毒能力，大大降低了反应活化能，催化效率大幅度提升；TiO2作为载体，具有高分散性，高孔隙率的优势；采用双金属单原子催化剂，金属与金属之间会有协同效应，一起促进催化合成氨反应。
【技术实现步骤摘要】
一种常温下催化氮气和氢气生成氨气的催化剂制备方法
本专利技术涉及催化剂制备方法，尤其涉及一种催化氮气和氢气生成氨气的催化剂制备方法。
技术介绍
氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素，硝酸铵，磷酸铵，氯化铵以及各种含氮复合肥，都是以氨为原料的。世界每年合成氨产量已达一亿吨以上，其中约有80％的氨用来生产化学肥料，20％作为其他化工产品的原料。众所周知，德国化学家哈伯从1902年开始研究用氮气和氢气直接合成氨，于1908年申请专利，即循环法，在此基础上，他继续研究，于1909年改进了合成，氨的含量达到6％以上，这是工业普遍采用的直接合成法。热力学计算表明，低温高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。合成氨反应的机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上化学吸附，使氮原子间的化学键减弱，接着化学吸附的氢原子不断跟表面上的氮分子作用，最后氮分子在催化剂表面上脱附生成气态的氨。催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量杂质而使活性下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂中毒。对于合成氨反应中的铁催化剂，O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性中毒。相反，含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。催化剂中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理，活性也很难恢复。催化剂中毒会严重影响生产的正常进行，工业上为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去毒物，这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。合成氨催化剂已经历了一个世纪的发展历程，已相当成熟。但传统的熔铁催化剂不符合低能耗的发展趋势，而钌基合成氨催化剂的价格昂贵，不易普及。最近的研究中，有学者报道了一种纳米材料改性后的氨合成催化剂，能够提高催化剂活性15％以上，提高转化率30％以上，且反应温度较低，但在选择性方面还不尽如人意。单原子催化剂(SACs)是指金属以单原子形式均匀分散在载体上形成的具有优异催化性能的催化剂，与传统载体型催化剂相比，SACs具有活性高、选择性好、贵金属利用率高等优点，在氧化反应、水煤气变换、加氢反应以及电化学催化等领域都有广泛的应用。实验及理论研究表明，单原子催化剂高活性和选择性可归因于活性金属原子和载体之间的相互作用以及由此引起的电子结构改变。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种催化氮气和氢气生成氨气的催化剂制备方法，本方法可在常温下制备催化剂，用本方法制备的单原子催化剂具有较强抗毒能力，用该单原子催化剂进行的合成氨反应温度低，大大降低了反应活化能，催化效率大幅度提升。本专利技术的技术方案是：本专利技术的一种常温下催化氮气和氢气生成氨气的催化剂制备方法，包括以下步骤：步骤一、制备六甲基-甲基环戊二烯合铂钌前驱体：(a)在无氧环境中采用甲基锂制备法分别制备三甲基碘化铂和三甲基碘化钌：其中三甲基碘化铂的制备步骤为：在无水无氧环境中，在-30℃-0℃温度下，称取K2PtCl6置于四口烧瓶中，放入磁力搅拌子搅拌，然后放入低温反应釜中，调整温度为-20℃-0℃，抽取四氢呋喃后加入烧瓶中，向K2PtCl6和除水四氢呋喃的混合物中，缓慢滴加1.5-1.8mol/L甲基锂的乙醚溶液，之后反应12-16h，得到PtMe3Cl混合液，所述的K2PtCl6、除水四氢呋喃和甲基锂的乙醚溶液的摩尔比为1:(2-3):(8-9)；所述的三甲基碘化钌的制备步骤为：在无水无氧环境中，在-30℃-0℃温度下，称取K2RuCl6置于四口烧瓶中，并放入磁力搅拌子搅拌，然后放入低温反应釜中，调整温度为-20℃-0℃，抽取四氢呋喃后加入烧瓶中，向K2RuCl6和除水四氢呋喃的混合物中，缓慢滴加1.5-1.8mol/L甲基锂的乙醚溶液，之后反应12-16h，得到RuMe3Cl混合液，所述的K2RuCl6、除水四氢呋喃和甲基锂的乙醚溶液的摩尔比为1:(2-3):(8-9)；(b)在-20℃-0℃下，将过量的1,2-二溴乙烷分别加入所述的PtMe3Cl混合液、RuMe3Cl混合液中，再分别在PtMe3Cl混合液、RuMe3Cl混合液中加入0.8-1.2mol/LKI的盐酸饱和溶液，所述的PtMe3Cl混合液和KI的盐酸饱和溶液体积比、RuMe3Cl混合液和KI的盐酸饱和溶液体积比分别为3:(1-2)、3:(1-2)，反应生成沉淀，沉淀不取出，最后加入能够完全溶解沉淀的去离子水，自然升温至10-40℃；(c)采用乙醚作为萃取剂分别加入(b)中得到的两种沉淀溶解液中，萃取有机相，蒸干溶剂，加入丙酮洗涤，过滤，得到三甲基碘化铂和三甲基碘化钌固体；(d)制备六甲基-甲基环戊二烯合铂钌：(1)在无水无氧环境中，在-10～50℃温度下将三甲基碘化铂和三甲基碘化钌作为原料，与除水的四氢呋喃混合，所述的三甲基碘化铂、三甲基碘化钌和除水的四氢呋喃质量比为1:1:(2-3)；(2)在步骤(1)的混合物中加入质量为三甲基碘化铂2-2.6倍的甲基环戊二烯基二钠，反应0.9-1.1h，之后加入去离子水，使用正戊烷作为萃取剂，萃取有机相，蒸干其中的溶剂，使用升华器在负压状况下，于70-80℃水浴中升华提纯得到产物六甲基-甲基环戊二烯合铂钌；步骤二、制备Ru-Pt/TiO2单原子催化剂：(a)采用原子层沉积法，以六甲基-甲基环戊二烯合铂钌和氧气作为沉积反应的前驱体，将比表面积为150-200m2/g且质量为10-15g的TiO2作为载体放在耐高温石英玻璃板上，以质量分数为98-99％的乙醇作为分散液使TiO2均匀分散在石英玻璃板上，干燥后直接将石英玻璃板放到原子层沉积反应腔体中；(b)加热前驱体六甲基-甲基环戊二烯合铂钌至50-60℃，然后使其以脉冲形式进入反应腔，反应腔内石英玻璃板达到150-300℃时开始沉积反应，待一个原子层沉积循环依次包括20-25s六甲基-甲基环戊二烯合铂钌脉冲、10-12s暴露时间、95-105sN2吹扫、40-45s氧气脉冲、10-12s暴露时间、95-105sN2吹扫，沉积过程中N2流量为120-180mL/min，根据需要改变沉积的循环次数，以得到不同铂钌含量的Ru-Pt/TiO2单原子催化剂。本专利技术的优势在于：催化剂Ru-Pt/TiO2效率高，寿命长，单原子催化剂有较强的抗中毒能力，在合成氨反应中有很大的优势；TiO2作为载体，除具有无毒、性能稳定、价格低廉、抗腐蚀等优点外，还和氧化铝一样，有高分散性，高孔隙率；采用双金属单原子催化剂，金属与金属之间会有协同效应，一起促进催化合成氨反应，在双金属催化剂Ru-Pt/TiO2中，由于Ru与Pt之间电负性的差异，导致离域的电子并不是均匀分布的，Pt的存在，能大幅度提高Ru在催化反应中的活性。具体实施方式下面将结合本专利技术实施案例，对本专利技术实施案例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种常温下催化氮气和氢气生成氨气的催化剂制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、制备六甲基‑甲基环戊二烯合铂钌前驱体：(a)在无氧环境中采用甲基锂制备法分别制备三甲基碘化铂和三甲基碘化钌：其中三甲基碘化铂的制备步骤为：在无水无氧环境中，在‑30℃‑0℃温度下，称取K2PtCl6置于四口烧瓶中，放入磁力搅拌子搅拌，然后放入低温反应釜中，调整温度为‑20℃‑0℃，抽取四氢呋喃后加入烧瓶中，向K2PtCl6和除水四氢呋喃的混合物中，缓慢滴加1.5‑1.8mol/L甲基锂的乙醚溶液，之后反应12‑16h，得到PtMe3Cl混合液，所述的K2PtCl6、除水四氢呋喃和甲基锂的乙醚溶液的摩尔比为1:(2‑3):(8‑9)；所述的三甲基碘化钌的制备步骤为：在无水无氧环境中，在‑30℃‑0℃温度下，称取K2RuCl6置于四口烧瓶中，并放入磁力搅拌子搅拌，然后放入低温反应釜中，调整温度为‑20℃‑0℃，抽取四氢呋喃后加入烧瓶中，向K2RuCl6和除水四氢呋喃的混合物中，缓慢滴加1.5‑1.8mol/L甲基锂的乙醚溶液，之后反应12‑16h，得到RuMe3Cl混合液，所述的K2RuCl6、除水四氢呋喃和甲基锂的乙醚溶液的摩尔比为1:(2‑3):(8‑9)；(b)在‑20℃‑0℃下，将过量的1,2‑二溴乙烷分别加入所述的PtMe3Cl混合液、RuMe3Cl混合液中，再分别在PtMe3Cl混合液、RuMe3Cl混合液中加入0.8‑1.2mol/L KI的盐酸饱和溶液，所述的PtMe3Cl混合液和KI的盐酸饱和溶液体积比、RuMe3Cl混合液和KI的盐酸饱和溶液体积比分别为3:(1‑2)、3:(1‑2)，反应生成沉淀，沉淀不取出，最后加入能够完全溶解沉淀的去离子水，自然升温至10‑40℃；(c)采用乙醚作为萃取剂分别加入(b)中得到的两种沉淀溶解液中，萃取有机相，蒸干溶剂，加入丙酮洗涤，过滤，得到三甲基碘化铂和三甲基碘化钌固体；(d)制备六甲基‑甲基环戊二烯合铂钌：(1)在无水无氧环境中，在‑10～50℃温度下将三甲基碘化铂和三甲基碘化钌作为原料，与除水的四氢呋喃混合，所述的三甲基碘化铂、三甲基碘化钌和除水的四氢呋喃质量比为1:1:(2‑3)；(2)在步骤(1)的混合物中加入质量为三甲基碘化铂2‑2.6倍的甲基环戊二烯基二钠，反应0.9‑1.1h，之后加入去离子水，使用正戊烷作为萃取剂，萃取有机相，蒸干其中的溶剂，使用升华器在负压状况下，于70‑80℃水浴中升华提纯得到产物六甲基‑甲基环戊二烯合铂钌；步骤二、制备Ru‑Pt/TiO2单原子催化剂：(a)采用原子层沉积法，以六甲基‑甲基环戊二烯合铂钌和氧气作为沉积反应的前驱体，将比表面积为150‑200m2/g且质量为10‑15g的TiO2作为载体放在耐高温石英玻璃板上，以质量分数为98‑99％的乙醇作为分散液使TiO2均匀分散在石英玻璃板上，干燥后直接将石英玻璃板放到原子层沉积反应腔体中；(b)加热前驱体六甲基‑甲基环戊二烯合铂钌至50‑60℃，然后使其以脉冲形式进入反应腔，反应腔内石英玻璃板达到150‑300℃时开始沉积反应，待一个原子层沉积循环依次包括20‑25s六甲基‑甲基环戊二烯合铂钌脉冲、10‑12s暴露时间、95‑105s N2吹扫、40‑45s氧气脉冲、10‑12s暴露时间、95‑105s N2吹扫，沉积过程中N2流量为120‑180mL/min，根据需要改变沉积的循环次数，以得到不同铂钌含量的Ru‑Pt/TiO2单原子催化剂。...
【技术特征摘要】
1.一种常温下催化氮气和氢气生成氨气的催化剂制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、制备六甲基-甲基环戊二烯合铂钌前驱体：(a)在无氧环境中采用甲基锂制备法分别制备三甲基碘化铂和三甲基碘化钌：其中三甲基碘化铂的制备步骤为：在无水无氧环境中，在-30℃-0℃温度下，称取K2PtCl6置于四口烧瓶中，放入磁力搅拌子搅拌，然后放入低温反应釜中，调整温度为-20℃-0℃，抽取四氢呋喃后加入烧瓶中，向K2PtCl6和除水四氢呋喃的混合物中，缓慢滴加1.5-1.8mol/L甲基锂的乙醚溶液，之后反应12-16h，得到PtMe3Cl混合液，所述的K2PtCl6、除水四氢呋喃和甲基锂的乙醚溶液的摩尔比为1:(2-3):(8-9)；所述的三甲基碘化钌的制备步骤为：在无水无氧环境中，在-30℃-0℃温度下，称取K2RuCl6置于四口烧瓶中，并放入磁力搅拌子搅拌，然后放入低温反应釜中，调整温度为-20℃-0℃，抽取四氢呋喃后加入烧瓶中，向K2RuCl6和除水四氢呋喃的混合物中，缓慢滴加1.5-1.8mol/L甲基锂的乙醚溶液，之后反应12-16h，得到RuMe3Cl混合液，所述的K2RuCl6、除水四氢呋喃和甲基锂的乙醚溶液的摩尔比为1:(2-3):(8-9)；(b)在-20℃-0℃下，将过量的1,2-二溴乙烷分别加入所述的PtMe3Cl混合液、RuMe3Cl混合液中，再分别在PtMe3Cl混合液、RuMe3Cl混合液中加入0.8-1.2mol/LKI的盐酸饱和溶液，所述的PtMe3Cl混合液和KI的盐酸饱和溶液体积比、RuMe3Cl混合液和KI的盐酸饱和溶液体积比分别为3:(1-2)、3:(1-2)，反应生成沉淀，沉淀不取出，最后加入能够完全溶解沉淀的...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁辉，郝子全，王路路，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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