常温常压水相下球磨氮氢混合气体增强合成氨选择性的方法技术

本发明专利技术属于材料技术领域，具体为一种常温常压水相下球磨氮氢混合气体增强合成氨选择性的方法。本发明专利技术通过行星式球磨机进行机械化学球磨合成，在不锈钢材质的球磨罐中放入不锈钢材质磨球、纯水并通入不同体积比的氮氢混合气体，常温常压下直接球磨，反应完成后溶液经过静置、离心，通过离子色谱法验证溶液中存在铵根离子(NH

【技术实现步骤摘要】
常温常压水相下球磨氮氢混合气体增强合成氨选择性的方法


[0001]本专利技术属于材料
，具体涉及一种常温常压水相下机械球磨氮氢混合气体增强合成氨反应选择性的方法。

技术介绍

[0002]氨(NH3)在工农业、国防等领域起着至关重要的作用，是合成肥料、纤维和炸药的重要原料。氨的液化压力(~8 atm)低，氢密度(17.8 wt%)高，可以作为潜在的氢载体。合成氨当前主要通过Haber
‑
Bosch工艺进行，需要高温(300
‑
550℃)、高压(15
‑
25 MPa)的条件，在铁基催化剂下进行热催化。该工艺对设备要求高，能源消耗大，并造成严重的环境污染。因此需要开发绿色清洁、低能耗的合成氨工艺。本专利技术提出一种常温常压水相下机械化学球磨氮氢混合气体增强合成氨反应选择性的方法。通过行星式球磨机进行机械化学球磨合成，在不锈钢材质的球磨罐中放入不锈钢材质磨球、纯水并通入不同体积比的氮氢混合气体，常温常压下直接球磨，反应完成后溶液经过静置、离心，通过离子色谱法验证溶液中存在铵根离子(NH
4+
)并测出相应的NH
4+
浓度。与通入纯氮气的对照实验进行对比，在通入氮氢混合气体的具体实施例中产生了更多的氨，并且氨生成的选择性更高。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种常温常压水相下机械化学球磨氮氢混合气体增强合成氨反应选择性的方法，以便绿色、低能耗地固氮合成氨，并提高合成氨反应的选择性。
[0004]本专利技术的提供常温常压水相下球磨氮氢混合气体增强合成氨反应选择性的方法，是通过球磨过程获得机械力，使合成氨反应势垒降低，诱发并促进常温常压下难以进行的合成氨反应。相比于直接以水和氮气作为反应物，通过在水中通入氮氢混合气体，增加了合成氨反应中所需氢质子的来源和浓度，促进了反应正向进行并极大地提高了机械球磨合成氨反应的选择性，增强了机械化学球磨合成氨反应的性能。
[0005]本专利技术提供的常温常压水相下机械化学球磨氮氢混合气体增强合成氨反应选择性的方法，具体步骤为：（1）将适量的纯水、不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮氢混合气一段时间排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮氢混合气的环境，氢气的体积百分数范围为5vol%~10vol%；（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以300~600转/分钟的速率球磨1~12小时，完成反应后取出球磨罐；（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑；每次离心12000
‑
15000r/min，时间4
‑
8min；（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出溶液中NH
4+
、NO3‑
和NO2‑
的浓度，从而得出产氨性能以及氨的选择性。
[0006]本专利技术中，球磨罐和磨球均为不锈钢材质。
[0007]本专利技术中，球磨罐的容积为250mL，选用不同直径大小的磨球（2个Φ15、6个Φ12、12个Φ10、54个Φ8、206个Φ4），装球量共计300g。
[0008]本专利技术中，氮氢混合气直接从气体钢瓶中取得，实施例中混合气具体规格为(a) 5vol% H
2 +95vol%N2，和(b) 10vol%H2+90vol%N2。
[0009]本专利技术中，水的量至少淹没磨球。
[0010]本专利技术的有益效果在于：本专利技术在常温常压下，以水、氢气和氮气为原料通过机械化学球磨实现了高效合成氨反应。
[0011]本专利技术利用氮气作为氮原子的来源，利用水和氢气共同作为氢质子的来源。相比于只用水作为氢质子来源，水和氢气共同作为氢质子的来源拥有更高的氢密度，有效促进了机械球磨合成氨反应并极大提高了反应的选择性。同时，利用水作为反应物，一定程度上缓解了磨球与球磨罐体的磨损，延长球磨设备的使用寿命。
附图说明
[0012]图1为具体实施例1、2和对比实施例1中NH
4+
选择性的柱状图。
具体实施方式
[0013]实施例1（1）将50mL纯水、300g总质量的不同尺寸的不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的250mL容积的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮氢混合气(10 vol% H
2 + 90vol% N2)30分钟，排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮氢混合气的环境，混合气的体积为180mL；（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以600转/分钟的速率球磨10小时，完成反应后取出球磨罐；（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑，每次15000r/min，5min；（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出溶液中NH
4+
、NO3‑
和NO2‑
的浓度，从而得出产氨性能以及氨的选择性。
[0014]对所得水样进行离子色谱表征，测出溶液中NH
4+
的浓度为31.0mg/L、NO3‑
的浓度为0.52 mg/L、NO2‑
的浓度为0.11 mg/L，算出氨的选择性为98.01%。
[0015]实施例2（1）将50mL纯水、300g总质量的不同尺寸的不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的250mL容积的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮氢混合气(5vol% H
2 + 95vol% N2)30分钟，排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮氢混合气的环境，混合气的体积为180mL；（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以600转/分钟的速率球磨10小时，完成反应后取出球磨罐；（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两次，进一步去除球磨过程中产生的铁屑，每次14000r/min，7min；
（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出溶液中NH
4+
、NO3‑
和NO2‑
的浓度，从而得出产氨性能以及氨的选择性。
[0016]对所得水样进行离子色谱表征，测出溶液中NH
4+
的浓度为25.4mg/L、NO3‑
的浓度为0.62 mg/L、NO2‑
的浓度为0.09 mg/L，算出氨的选择性为97.28%。
[0017]对比实施例1（1）将50mL纯水、300g总质量的不同尺寸的不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的250mL容积的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气30分钟，排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境，氮气的体积为180mL；（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以600转/分钟的速率球磨10小时，完成反应后取出球磨罐；（3）取出步骤（2）罐体中的溶液，静置，取上层清液，通过离心机离心两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种常温常压水相下球磨氮氢混合气体增强合成氨选择性的方法，其特征在于，通过球磨过程获得机械力，使合成氨反应势垒降低，诱发并促进常温常压下难以进行的合成氨反应，具体步骤为：（1）将适量的纯水、不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮氢混合气一段时间排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮氢混合气的环境，氢气的体积百分数范围为5vol%~10vol%；（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以300~600转/分钟的速率球磨1~12小时，完成反应后取出球磨罐；（3）取出步骤（2...

【专利技术属性】
技术研发人员：何承溧，崔晓莉，陈阳，邱栋，陆雨瑄，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：