一种MXene基热催化合成氨催化剂及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种MXene基热催化合成氨催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂以过渡金属和Mo2CT

【技术实现步骤摘要】
一种MXene基热催化合成氨催化剂及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及催化剂材料制备
，具体地，涉及一种MXene基热催化合成氨催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氨(NH3)是粮食安全的保障，也是高体积能量密度的储氢载体。目前，传统工业合成氨是以化石资源为燃料，采用Haber
‑
Bosch工艺，H2主要通过水煤气变换反应或者甲烷重整反应产生并采用Fe基催化剂，在高温(490～510℃)和高压(15.0～32.0MPa)条件下合成氨每年消耗全球能耗的1
‑
2wt％，且排放大量CO2。在节能减排和2060年中国实现“碳中和”的重大长期战略目标下，发展可再生能源驱动的“绿氨”合成显得尤为重要和迫切。我国是可再生能源最大的国家，但我国年“三弃”电量高达约1020亿千瓦时。若以NH3为储氢载体，利用可再生能源电力电解水制氢作为“氢源”，空气分离出氮气作为“氮源”，发展“可再生能源电解水制氢耦合合成氨”技术，可同步实现可再生能源清洁高效利用﹑“绿氨”合成和安全储运氢气。
[0003]目前，压力型电解水制氢系统要求输出压力≤5.0MPa，一般输出压力为1.6
‑
3.2MPa，电解得到的H2经深度脱水脱氧后的温度约为300
‑
400℃。因此，要实现可再生能源电力和合成氨技术互补融合，亟需发展与可再生能源电力电解制氢体系相匹配的相对温和条件下合成氨技术(反应条件：300～400℃、1.6～3.2MPa)，现有面向化石能源的工业合成氨催化剂在此相对温和条件下难以满足要求，设计开发新型高效的合成氨催化剂就成为贯通“可再生能源
‑
氨
‑
氢”循环路线的关键。
[0004]虽然Ru基催化剂相对于Fe基催化剂基础上显著降低了合成氨能耗，但Ru是贵金属，价格昂贵且地球上储量有限，导致其大规模工业应用具有局限性。因此，要真正实现合成氨过程的进一步大幅度节能降耗，开发低温和低压下高效合成氨催化剂是关键。2016年2月，美国能源部在针对合成氨未来发展战略研讨会上提出，制备出高活性、长寿命的催化剂并实现在温和条件下(200～400℃、0.1～5.0MPa)合成氨是未来的发展方向，如何设计开发出新型非贵金属基高性能催化剂、并实现在温和条件下合成氨成为最具挑战性的研究之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种催化剂，所述催化剂以过渡金属和Mo2CT
x
为活性中心，所述过渡金属负载在所述Mo2CT
x
上；
[0006]x代表官能团层数；
[0007]所述过渡金属选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铼(Re)中的一种或多种，优选为铼(Re)。
[0008]根据本专利技术的实施方案，所述过渡金属的负载量为Mo2CT
x
的5
‑
15wt％，所述负载量
指过渡金属与所述Mo2CT
x
的质量百分比。例如，所述负载量可以为5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％，或者两两组合范围内的任意一个点值。
[0009]根据本专利技术的实施方案，所述Mo2CT
x
富含表面基团，所述表面基团包括O、OH和F基团中的一种或多种。
[0010]根据本专利技术的实施方案，所述Mo2CT
x
富含缺陷位，所述缺陷位为金属空位，用于锚定所述过渡金属。例如，所述过渡金属可以以过渡金属单原子、过渡金属纳米颗粒中的一种或多种形式锚定在所述金属空位中。示例性地，所述过渡金属以过渡金属纳米颗粒形式锚定在所述金属空位中。
[0011]根据本专利技术的实施方案，所述催化剂的N2反应级数为0.18
‑
0.26，优选为0.18
‑
0.25。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述催化剂选自下述催化剂中的任意一种：
[0013]所述催化剂为Re/Mo2CT
x
催化剂，以Re和Mo2CT
x
为活性中心，Re至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中；
[0014]或者，所述催化剂为Fe/Mo2CT
x
催化剂，以Fe和Mo2CT
x
为活性中心，Fe至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中；
[0015]或者，所述催化剂为Co/Mo2CT
x
催化剂，以Co和Mo2CT
x
为活性中心，Co至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中；
[0016]或者，所述催化剂为Ni/Mo2CT
x
催化剂，以Ni和Mo2CT
x
为活性中心，Ni至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中。
[0017]本专利技术还提供上述催化剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0018](1)使用氢氟酸刻蚀Mo2Ga2C前驱体材料，获得Mo2CT
x
；
[0019](2)采用初湿浸渍法，将过渡金属负载到步骤(1)得到的Mo2CT
x
上；
[0020](3)将步骤(2)中负载过渡金属的Mo2CT
x
经加热焙烧还原后，得到所述催化剂。
[0021]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，刻蚀的温度为50
‑
70℃，优选为55℃；刻蚀的时间为3
‑
7天，优选为5天。
[0022]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，采用的氢氟酸可以为氢氟酸溶液；氢氟酸溶液和Mo2Ga2C前驱体材料的体积质量比为(25
‑
30)mL:1g，示例性为30mL:1g。氢氟酸溶液的浓度为≥40.0wt％。若氢氟酸溶液的浓度和使用量过高，容易导致刻蚀过度，产率较低；若氢氟酸溶液的浓度和使用量过低，导致刻蚀时间太长，或刻蚀不完全。
[0023]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中，所述Mo2CT
x
具有如上文所示的含义。
[0024]根据本专利技术的实施方案，步骤(1)中还包括后处理步骤(1A)，刻蚀的反应产物经洗涤、分离、至滤液洗至中性，对刻蚀的反应产物进行干燥；干燥得到的粉末经碱性溶液处理，洗涤，干燥后得到Mo2CT
x
。
[0025]示例性地，干燥得到的粉末与碱性溶液的质量体积比为0.8g:1L。
[0026]本专利技术中，氢氟酸处理后，得到Mo2CT
x
的表面存在较多F基团，水洗较难洗净。采用碱性溶液清洗能够除去表面F基团，减少F含量，且F、S、Cl等元素的存在，对于氨合成反应有抑制作用，易造成催化剂中毒。优选地，所述刻蚀的反应产物的洗涤可以使用去离子水，所述碱性溶液处理后的洗涤可以使用碱性溶液和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化剂，其特征在于，所述催化剂以过渡金属和Mo2CT
x
为活性中心，所述过渡金属负载在所述Mo2CT
x
上，x代表官能团层数；所述过渡金属选自铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铼(Re)中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述过渡金属选自铼(Re)。优选地，所述过渡金属的负载量为Mo2CT
x
的5
‑
15wt％，所述负载量指过渡金属与所述Mo2CT
x
的质量百分比。优选地，所述Mo2CT
x
富含表面基团，所述表面基团包括O、OH和F基团中的一种或多种。优选地，所述Mo2CT
x
富含缺陷位，所述缺陷位为金属空位，用于锚定所述过渡金属。优选地，所述过渡金属以过渡金属单原子、过渡金属纳米颗粒中的一种或多种形式锚定在所述金属空位中。3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂的N2反应级数为0.18
‑
0.26，优选为0.18
‑
0.25。优选地，所述催化剂选自下述催化剂中的任意一种：所述催化剂为Re/Mo2CT
x
催化剂，以Re和Mo2CT
x
为活性中心，Re至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中；或者，所述催化剂为Fe/Mo2CT
x
催化剂，以Fe和Mo2CT
x
为活性中心，Fe至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中；或者，所述催化剂为Co/Mo2CT
x
催化剂，以Co和Mo2CT
x
为活性中心，Co至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中；或者，所述催化剂为Ni/Mo2CT
x
催化剂，以Ni和Mo2CT
x
为活性中心，Ni至少负载在所述Mo2CT
x
的金属空位中。4.权利要求1
‑
3任一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)使用氢氟酸刻蚀Mo2Ga2C前驱体材料，获得Mo2CT
x
；(2)采用初湿浸渍法，将过渡金属负载到步骤(1)得到的Mo2CT
x
上；(3)将步骤(2)中负载过渡金属的Mo2CT
x
经加热焙烧还原后，得到所述催化剂。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀云，王聪颖，周岩良，江莉龙，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：