一种电催化氮气还原合成氨用醇-水混合电解液及其应用制造技术

一种电催化氮气还原合成氨用醇

【技术实现步骤摘要】
一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液及其应用


[0001]本专利技术涉及一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液及其应用，属于化工和电催化领域。

技术介绍

[0002]氨是化肥生产工业的重要原材料，同时也是一种潜在的能源载体。其在工业范围内的合成采用能源密集型的Haber
‑
Bosch法，该方法操作条件严苛、在消耗大量的化石能源的同时排放大量温室气体。
[0003]现阶段，凭借节能与环境友好等优势，电催化氮气还原反应(NRR)合成氨受到广泛关注，成为研究热点之一。目前，水系电解液(如KOH、Na2SO4水溶液等)为最常用的合成氨用电解液。在该类水系电解液中，N2分子经六电子、六质子转移过程被还原为目标产物NH3(N2+6H
+
+6e
‑
→
2NH3)。于此同时，仅需两电子、两质子转移的析氢反应(HER，2H
+
+2e
‑
→
H2)由于具有更快动力学反应速率往往占据主导地位，导致NRR的选择性和氨产率均比较低。此外，竞争反应HER与NRR的理论电位非常接近(分别为0V和0.093V)，进一步加剧了水系电解液中HER对NRR的干扰性。
[0004]上述原因最终导致水系电解液中NRR的选择性和氨产率均比较低，极大地阻碍了NRR工艺的进一步发展，因此迫切需要对此核心问题提出相应的解决方案。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液及其应用，用以缓解NRR过程中副反应HER的竞争干扰等问题，最终提升NRR选择性。
[0006]为了实现上述专利技术目的，解决现有技术存在的问题，本专利技术采取的技术方案是：
[0007]一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液，在磁力搅拌器下将醇与水充分混合20
‑
60分钟，得到醇
‑
水混合电解液。
[0008]所述的醇
‑
水混合电解液中水的体积含量为0.04％
‑
0.64％，优选地，所述的醇
‑
水混合电解液中水的体积含量为0.16％；
[0009]所述的醇选择甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇中的一种，优选地，所述的醇
‑
水混合电解液中醇选择甲醇；
[0010]所述的混合醇与水的容器材质为玻璃、石英、聚四氟乙烯塑料中的一种。
[0011]一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液的应用，包括以下步骤：
[0012]首先，向H型电解池的阴极池中装入20
‑
40mL醇
‑
水混合电解液；向容积为50mL阳极池中装入等量的KOH水溶液；阴极池与阳极池通过盐桥连通。其次，采用滴涂法将催化剂分散液负载到碳纸上得到阴极板，催化剂的负载量为0.1
‑
1mg cm
‑2，再将该阴极板安装到上述H型电解池中，得到电催化氮气还原合成氨反应装置。最后，打开气体流量计控制开关，向阴极池中持续通入高纯氮气，30min后，打开电化学工作站电源开关，采用恒电压电解法，设置
不同电解电压，进行氮气电还原合成氨反应。
[0013]进一步的，所述的H型电解池的容积为50mL。
[0014]进一步的，所述的H型电解池的材质为玻璃、石英、聚四氟乙烯塑料中的一种，但不限于此。
[0015]进一步的，所述的催化剂为FeOOH/CNTs复合材料、商业MoS2、商业RuO2中的一种，但不限于此。优选地，所述催化剂为FeOOH/CNTs复合材料，其中该复合材料通过溶液浸渍法制备得到；
[0016]进一步的，所述催化剂的负载量优选为0.4mg cm
‑2；
[0017]进一步的，所述氮气流速为10
‑
50mL min
‑1，优选地，氮气流速采用30mL min
‑1；
[0018]进一步的，所述恒电压电解法中的电解电压范围为
‑
0.8V到
‑
1.3V，优选地，电解电压选择为
‑
0.9V；
[0019]进一步的，所述电解时间为1
‑
4h，优选地，电解时间采用1h。
[0020]本专利技术的创新点为：利用醇与水之间较强的氢键相互作用，削弱了水分子之间的氢键作用，进而增强了水分子的O
‑
H键强度、抑制了水分子的解离过程，最终有效抑制了HER副反应，增强了NRR的选择性。
[0021]本专利技术有益效果为：一是可以有效抑制HER反应，提高NRR的选择性。二是可以提升氮气在电解液中的溶解度，进而提高合成氨产率。三是为研究者提供一种抑制HER副反应的新思路，拓宽抑制HER策略的研究范围。
附图说明
[0022]图1为甲醇
‑
水混合电解液中水含量对合成氨产率和法拉第效率影响图；
[0023]图2为采用不同极性的醇为溶剂组成二元混合电解液所实现的合成氨性能的对比图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。
[0025]实施例1
[0026]本实施例采用的醇为甲醇，向阴极池中装入30mL甲醇
‑
水混合电解液，其中混合电解液中水体积含量依次选为0.04％，0.08％，0.16％，0.32％，0.64％。向阳极池中装入等量的KOH水溶液。采用滴涂法将FeOOH/CNTs催化剂分散液负载到碳纸上，负载量为0.4mg cm
‑2，得到阴极板。打开气体开关，以30mL min
‑1流速持续通入高纯氮气，30min后，打开电化学工作站电源开关，设置电解电压为
‑
0.9V持续电解1h。
[0027]反应结束后计算得到NRR过程的法拉第效率和氨产率。结果如图1所示。由图可见，随着甲醇
‑
水混合电解液中水含量的增加，NRR过程的法拉第效率和氨产率均呈现先增加后减小的趋势。当甲醇
‑
水混合电解液中的水体积含量为0.16％时，NRR过程的法拉第效率和氨产率均实现最大值，分别达到分别为75.9％和262.5μg h
‑1mg
cat.
‑1。
[0028]实施例2
[0029]本实施例采用的醇分别为甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇。为了清晰的分析结果，本实施例将极性较小的代表性溶剂二甲基亚砜加入进行对比。向阴极池中装入30mL混合电解
液，其中混合电解液中水体积含量为0.16％。采用滴涂法将FeOOH/CNTs催化剂分散液负载到碳纸上，负载量为0.4mg cm
‑2，得到阴极板。打开气体开关，以30mL min
‑1流速持续通入高纯氮气，30min后，打本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液，其特征在于，在磁力搅拌器下将醇与水充分混合后得到醇
‑
水混合电解液，其中醇
‑
水混合电解液中水的体积含量为0.04％
‑
0.64％。2.根据权利要求1所述的一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液，其特征在于，所述的醇
‑
水混合电解液中水的体积含量优选为0.16％。3.根据权利要求1所述的一种电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液，其特征在于，所述的醇选择甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇中的一种。4.一种权利要求1
‑
3任一所述的电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液的应用，其特征在于，包括以下步骤：首先，向H型电解池的阴极池中装入醇
‑
水混合电解液，向阳极池中装入等量的KOH水溶液，阴极池与阳极池通过盐桥连通；其次，采用滴涂法将催化剂分散液负载到碳纸上得到阴极板，再将该阴极板安装到上述H型电解池中，得到电催化氮气还原合成氨反应装置；最后，向阴极池中持续通入高纯氮气，采用恒电压电解法，设置不同电解电压，进行氮气电还原合成氨反应。5.根据权利要求4所述的电催化氮气还原合成氨用醇
‑
水混合电解液的应用，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱介山，任勇文，于畅，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：