一种钌掺杂硫化镧催化剂及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种钌掺杂硫化镧催化剂及其制备与在电催化合成氨中的应用，其属于电催化材料技术领域。本发明专利技术先经水热反应得到La2S3纳米棒；然后再将钌前驱体与La2S3纳米棒混合进行二次水热，得到Ru/La2S3催化剂。本发明专利技术通过简单水热合成了钌掺杂硫化镧电催化材料，其制备原材料便宜易得，不含污染环境的重金属，并能在电催化条件下实现氨的高效合成，具有重要应用前景。具有重要应用前景。具有重要应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种钌掺杂硫化镧催化剂及其制备与应用


[0001]本专利技术属于电催化材料
，具体涉及一种钌掺杂硫化镧催化剂及其制备与在电催化合成氨中的应用。

技术介绍

[0002]电化学催化因其具有操作简单、能量转化率高、环境友好、可持续绿色发展等优点一直是清洁能源
研究的热点。通过电化学催化的方法将N2分子转化为高附加值产品NH3，以实现能量的高效转化，是还原N2转化为NH3/NH
4+
的一种有效的方法，该方法可以在常温常压下利用N2和H2O为原料进行合成氨，并且电能可以从太阳能、风能等可持续能源中转换得到。另外，把电能引入到合成氨反应中，其优点在于将电能引入合成氨过程辅助活化氮气分子，打破了热力学的限制，可以实现常温常压电化学合成氨，并且可以使用地球上丰富的水等可再生绿色环保的氢为原料，避免了合成氨对不可再生资源的依赖性等优点。因此，电化学合成氨是各种合成氨技术中研究较多、机理相对成熟的一种，有望取代传统的Haber
‑
Bosch合成氨技术，具有巨大的发展前景和应用前景。
[0003]目前电催化合成氨催化剂主要为过渡金属氧化物，但其氨产率低下、法拉第效率低，远远达不到工业化。金属硫化物的氨产量高，但稳定性差，因此需要进行改性提高稳定性。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种钌掺杂硫化镧催化剂及其制备方法与在电催化合成氨中的应用，其原材料便宜易得，制备方法较为简便，且制备过程中不涉及污染环境的物质。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种钌掺杂硫化镧催化剂，其是先水热制备La2S3纳米棒；然后将钌前驱体和La2S3纳米棒共同分散在水中，经二次水热制得Ru/La2S3催化剂。
[0006]所述Ru/La2S3催化剂的制备包括以下步骤：1）将一定量的La(NO3)3·
6H2O与Na2S
·
9H2O分别溶于去离子水中，再充分搅拌混合制成混合溶液；2）将所得混合溶液经水热反应后冷却，再进行过滤、洗涤；3）将得到的沉淀进行真空干燥，获得La2S3纳米棒；4）称取一定量的钌前驱体和步骤3）所得La2S3纳米棒，超声使两者共同分散于水中；5）将步骤4）所得混合液室温磁力搅拌，形成均匀的悬浊液；6）将步骤5）所得悬浊液进行二次水热反应，获得所述Ru/La2S3催化剂。
[0007]进一步地，步骤1）中La(NO3)3·
6H2O与Na2S
·
9H2O的摩尔比为1:1。
[0008]进一步地，步骤2）所述水热反应的温度为150 ℃，时间为12h。
[0009]进一步地，步骤3）所述真空干燥的温度为50 ℃，时间为24 h。
[0010]进一步地，步骤4）所用钌前驱体和La2S3纳米棒的摩尔比为1:20。所述钌前驱体为RuCl3·
xH2O。
[0011]进一步地，步骤5）所述磁力搅拌的时间为1 h。
[0012]进一步地，步骤6）所述二次水热反应的温度为150 ℃，时间为12 h。
[0013]所得钌掺杂硫化镧可用于电催化合成氨。其电催化合成氨的反应机理可能为联合远端机制：在催化剂表面末端吸附一个N2分子，然后离催化剂表面最远的氮原子先反应，三个质子依次与之结合形成一个NH3分子，另一个氮原子随后被氢化形成第二个NH3分子（如图1）。
[0014]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术制备条件较为简便，主要通过水热即可，而且制备过程中不涉及污染环境的物质，原料易得。所得催化剂首次应用于电催化合成氨，显示出优秀的氨产率（氨产率为19.40 μg h
−1mg
−
1cat
），并具有良好稳定性，对后续该类材料在电催化合成氨的应用具有开拓的意义。
附图说明
[0015]图1为本专利技术Ru/La2S3催化剂电催化合成氨的反应机理。
[0016]图2为实施例所制得Ru/La2S3催化剂的XRD图。
[0017]图3为实施例所制得Ru/La2S3催化剂的SEM谱图。
[0018]图4为实施例所制得Ru/La2S3催化剂的TEM照片。
[0019]图5为实施例所制得Ru/La2S3催化剂的XPS照片。
[0020]图6为进行电催化合成氨的装置示意图。
[0021]图7为钌前驱体不同掺杂量（掺杂摩尔量为0.3%、0.4%、0.5%、1.0%、2.5%和5.0%）制备的Ru/La2S3催化剂制氨效果的对比图。
[0022]图8为实施例所制得Ru/La2S3催化剂制氨效果图。
[0023]图9为Ru/La2O3（a）与Ru/La2S3（b）的制氨效果对比图。
[0024]图10为Ru/La2O3（a）与Ru/La2S3（b）的循环伏安曲线及两者的电化学表面积（c）对比情况。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。
实施例
[0026]将0.3 mol硝酸镧和0.3 mol硫化钠分别溶于40 mL去离子水中，并在磁性搅拌器上进行搅拌，以形成均匀的溶液。然后在硝酸镧溶液中加入硫化钠溶液，并进行磁力搅拌以形成均匀的悬浊液。再将该悬浊液倒入聚四氟乙烯内衬（100 mL）里，并置于水热釜中，将水热釜置于150 ℃电炉中放置12小时，以实现水热反应。反应完成后室温冷却，3500 rpm离心，所得沉淀用去离子水洗涤，50 ℃干燥24 h，得到La2S3纳米棒。
[0027]称取1g所制备的La2S3纳米棒和0.0276g RuCl3·
xH2O（摩尔比为20:1）放置烧杯中并加入去离子水，超声30min，再磁力搅拌1h，使其形成均匀的溶液；将溶液转移到水热釜中，于150 ℃二次水热反应12 h，将所得沉淀用去离子水和无水乙醇进行交替洗涤过滤六次，50℃真空干燥24h，得到掺杂摩尔量为0.5%的Ru/La2S3材料。
[0028]图2为所得Ru/La2S3催化剂的XRD图。从图中可以看出，合成的Ru/La2S3具有较高的结晶度，其XRD图与标准卡片完全吻合（01
‑
089
‑
4035）。
[0029]图3为所得Ru/La2S3催化剂的SEM图。从图中可以看出，其形貌为纳米棒和纳米板。
[0030]图4为所得Ru/La2S3催化剂的TEM图（a、b）和HRTEM图（c、d）。TEM图中进一步验证了所制备的催化剂保留了硫化镧的初始纳米棒形态。同时，HRTEM图证明了其存在明显的晶格条纹，相邻条纹距离为0.332 nm，对应（220）晶面。而高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF
‑
STEM）可进一步说明Ru/La2S3的纳米结构。
[0031]利用XPS技术分析所得Ru/La2S3催化剂的表面电子性质，结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钌掺杂硫化镧催化剂的制备方法，其特征在于，先水热制备La2S3纳米棒；然后将钌前驱体和La2S3纳米棒共同分散在水中，经二次水热制得Ru/La2S3催化剂。2.根据权利要求1所述的一种钌掺杂硫化镧催化剂的制备方法，其特征在于，所述La2S3纳米棒的制备包括以下步骤：1）将一定量的La(NO3)3·
6H2O与Na2S
·
9H2O分别溶于去离子水中，再充分搅拌混合制成混合溶液；2）将所得混合溶液经水热反应后冷却，再进行过滤、洗涤；3）将得到的沉淀进行真空干燥，获得所述La2S3纳米棒。3.根据权利要求2所述的一种钌掺杂硫化镧催化剂的制备方法，其特征在于，步骤1）中La(NO3)3·
6H2O与Na2S
·
9H2O的摩尔比为1:1。4.根据权利要求2所述的一种钌...

【专利技术属性】
技术研发人员：王莹淑，王洪，唐一心，洪露，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：