一种自支撑FeS制造技术

本发明专利技术公开一种自支撑FeS

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑FeSx电催化剂及其制备方法与应用
本专利技术涉及电催化剂
，尤其涉及一种自支撑FeSx电催化剂及其制备方法与应用。
技术介绍
氨(NH3)是世界上最大的化工产品，全球年产量高达1.5亿吨。目前超过90％的合成氨都是用工业的Haber-Bosch法，即利用N2和H2气在高温(400-500℃)，高压(150-200atm)的条件下，在铁基催化剂表面合成氨。这一过程需要消耗全球供应能源的1％，而且会产生大量的CO2。与此形成鲜明对比的是，许多天然植物和细菌携带金属固氮酶，能够在环境条件活化牢固的N≡N三重键(941kj/mol)，将空气中的氮气还原成氨。受到这一生物过程的启发，很多工作开始研究如何在温和的条件下将氮气还原成氨。最近，水相室温下电化学氮还原合成氨引起了广泛的研究兴趣。这一电化学过程，直接利用丰富的水资源作为氢源，而且，它可以很容易与间歇性可再生能源(如风能、太阳能或海洋能)结合起来，以提供所需的电力，因此，十分适合在一些交通不便利以及不适合建造大型化工厂的地区使用。然而，在温和的条件对N≡N键进行活化是一个重大挑战，不仅因为其非常高的键能同时也由于缺乏偶极矩，所以，这一电化学过程十分需要电催化剂的帮助。此外，在水相中电化学还原氮气(NRR)还面临着需要和电化学析氢(HER)相互竞争的难题。因为这两个反应的还原电位十分接近，这就对氮还原催化剂的选择性提出了更严峻的要求。最近报道的单原子钌(Ru)基和金(Au)纳米颗粒催化剂展示出了很高的氨产率和法拉第效率。但是，用合成方法复杂且价格昂贵的单原子Ru和纳米颗粒Au，严重的限制了其大规模使用。且其他的非贵金属催化剂材料(如：Fe2O3，Bi4V2O11，MoS2)和碳材料虽然也得到广泛的研究，但是所报道的氨产率和法拉第效率仍然十分的低下。因此，任然迫切需要开发一种合成简单，经济且有效的非贵金属氮还原催化剂。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种自支撑FeSx电催化剂及其制备方法与应用，旨在解决现有金属催化剂材料合成方法复杂且价格昂贵，而非贵金属催化剂材料的氨产率和法拉第效率十分的低下的问题。本专利技术的技术方案如下：一种自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其中，包括：提供铁基材；对所述铁基材进行等离子体处理，所述等离子体包含H2S，在所述铁基材表面形成FeSx，得到所述自支撑FeSx电催化剂，其中x＝0.5-2。所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其中，所述铁基材为泡沫铁、铁片或不锈钢片。所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其中，所述等离子体为H2S或H2S与惰性气体的混合气体。所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其中，所述处理的温度为25-300℃。所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其中，所述处理的时间为5-180min。所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其中，所述泡沫铁的等离子体处理在管式炉系统内石英管中进行，所述等离子体为H2S，处理过程包括：首先将泡沫铁切成1cm×2cm大小的碎片，然后放置在石英管的中心区域内；石英管在H2S等离子体处理的期间加热到160℃；持续通入50sccm的H2S进入石英管，通过真空泵将管内压力维持在600mtorr；石英管上游部分用铜线圈包裹，通过铜线圈提供60W的射频功率，在管的上游区域内产生H2S等离子体；等离子体电源为脉冲模式，每个等离子体脉冲长度为15s，整个H2S等离子体处理过程由200个H2S等离子体脉冲循环组成。一种自支撑FeSx电催化剂，其中，所述自支撑FeSx电催化剂包括铁基材和所述铁基材表面的FeSx，所述自支撑FeSx电催化剂采用本专利技术所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法制备而成。所述的自支撑FeSx电催化剂，其中，所述自支撑FeSx电催化剂为自支撑FeS2电催化剂。一种本专利技术所述的自支撑FeSx电催化剂在电化学还原氮气制氨中的应用。有益效果：本专利技术提供了一种新的通过在铁基材表面进行简单的H2S等离子体处理而形成FeSx氮还原催化材料。经过H2S等离子体的硫化处理，在泡沫铁表面能够形成一层FeSx，并展示出了优秀的氮还原产氨的性能。用这种FeSx/Fe直接作为工作电极，在电位-0.30V相对可逆氢电极(RHE)时，其展现出优秀的氨产率，高达4.25×10-10mol·s-1·cm-2以及很高的法拉第效率18.1％，这些数值显著高于已经报道的非贵金属催化剂。值得注意的是，生物固氮酶的活化氮的位点位于Fe-S分子簇上。它们与本专利技术的纯无机FeSx催化剂有着相似之处，这使得本项工作更加值得关注，因为它可以为模拟天然固氮过程提供重要的帮助。附图说明图1中(a)为实施例FeSx/Fe的SEM图，(b)为相应的EDS，(c)为横截面的STEMHADDF图，(d-g)为相应的EDS元素分布图，(h)为XPS测量光谱，(i)为相应的高分辨光谱Fe2p，(j)为相应的高分辨光谱S2p。图2为实施例中电催化氮还原性能的表征：(a)为FeSx/Fe电极在氮气和氩气饱和溶液中的电化学极化曲线，插图简要说明了测量装置；(b)为恒电位测量的时间安培曲线；(c)为用靛酚蓝法测定氮还原产物的照片和吸收光谱；(b)、(c)、(d)为氨在不同电位下的产率采用相同的线色；(e)为氨的法拉第效率和Δj/j氮气相对应的电位；(f)为Fe、Fe2O3、FeSx的氨产量和法拉第效率比较。图3为实施例中-0.30V(vs.RHE)分别在氮气和氩气饱和溶液测试得到的(a)奈奎斯特和(b)波特图；(c)为各个电位下的RNRR-1/(RNRR-1+RHER-1)曲线，插图为拟合得到的等效电路。图4为实施例中采用计时电流法，分别在氮气和氩气饱和溶液下测得的稳态电流，每个电位分别维持120s。图5为实施例中绝对标准曲线(a,b)、靛酚蓝法(c,d)奈氏试剂法分别用来分析氨产量(e,f)，Watt-Chrisp法用来分析肼产量。图6为实施例中奈氏试剂法分析氨产量的照片和测定的吸收光谱。图7为实施例中Watt-Chrisp法测试肼产量的照片和吸收光谱曲线。图8为实施例中在氮气饱和和氩气饱和条件下的奈奎斯特(a,c,e,g)和波特图(b,d,f,h)。图9为实施例中反应前后的SEM和EDS对比。图10为实施例中反应前后的FeSx的拉曼对比，以及合成纯的FeS的拉曼对比。图11为实施例中经过氮还原后的XPS分析。图12为实施例中循环伏安法测试FeSx(a)和Fe2O3(b)的曲线图，计算得到的双电层电容大小(c)。具体实施方式本专利技术提供一种自支撑FeSx电催化剂及其制备方法与应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自支撑FeS

【技术特征摘要】
1.一种自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其特征在于，包括：
提供铁基材；
对所述铁基材进行等离子体处理，所述等离子体包含H2S，在所述铁基材表面形成FeSx，得到所述自支撑FeSx电催化剂，其中x＝0.5-2。


2.根据权利要求1所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其特征在于，所述铁基材为泡沫铁、铁片或不锈钢片。


3.根据权利要求1所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其特征在于，所述等离子体为H2S或H2S与惰性气体的混合气体。


4.根据权利要求1所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其特征在于，所述处理的温度为25-300℃。


5.根据权利要求1所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其特征在于，所述处理的时间为5-180min。


6.根据权利要求2所述的自支撑FeSx电催化剂的制备方法，其特征在于，所述泡沫铁的等离子体处理在管式炉系统内石英管中进行，所述等离子体为H...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新炜，熊威，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44