一种电催化氮气还原合成氨反应装置、系统及合成氨方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电催化氮气还原合成氨反应装置、系统及合成氨方法，属于合成氨技术领域。本发明专利技术将氮气进口设置在阴极盖板上，将第一液体进口和阴极产物出口设置在框架上，使氮气优先扩散到阴极气体扩散电极表面，而非直接通入水中；在电催化作用下，氮气和水在电源输入的电子作用下发生还原反应，生成氨气，生成的氨气极易溶于水，形成氨水，氨水从框架的阴极产物出口排出；本发明专利技术利于氨水的气液分离和浓缩，获得易于存储的氨水，以氮气和水为原料，无需高温高压的反应条件，反应条件相对温和，有利于节约能源，无碳排放，能避免粉尘、有毒有害气体的产生，具有高效、清洁、低成本的优势。低成本的优势。低成本的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种电催化氮气还原合成氨反应装置、系统及合成氨方法


[0001]本专利技术涉及合成氨
，尤其涉及一种电催化氮气还原合成氨反应装置、系统及合成氨方法。

技术介绍

[0002]氨(NH3)是重要化工原料，主要用于农业化肥、工业产品、民用化学品等领域。由于氨气在常压下冷却至
‑
33.4℃即可冷凝成无色的液氨，便于安全储存和运输，并且液氨的体积能量密度约为液氢的2倍，因此，氨也被认为是未来具备发展潜力的燃料和储氢载体。目前，在工业合成氨技术中占据主导地位的是哈伯法，哈伯法的反应需要在高温高压的条件下进行，温度需要达到300～500℃，而压力则达到15～20MPa，能耗巨大。合成氨的原料是氮气和氢气，氮气主要通过空气分离获得，氢气则依靠煤制氢、天然气制氢等工艺生产，不仅会排放大量的二氧化碳，还会产生粉尘、氮/硫氧化物等，造成严重的大气污染。电催化氮气还原是合成氨的一种新型技术，反应的原料是氮气和水，通过太阳能、风能等可再生能源产生的绿色电力作为驱动力，实现常温常压条件下的合成氨反应，工艺过程清洁低碳、能耗低，具有广阔的发展前景。目前，对电催化氮气还原合成氨所需催化剂的研发及反应装置的设计，是本领域研究的重点。
[0003]现有的电催化氮气还原合成氨的反应装置主要有以下几种：(1)背靠背型电催化氮气还原合成氨电解槽，主要组成部分包括多孔阳极与多孔阴极，以及将两者分隔的聚合物膜(质子交换膜)；汽化的水进入多孔阳极通过气体扩散层到达催化剂表面发生氧化反应，生成的氧气随着未反应完的水汽流出。而氢质子通过交换膜传输到阴极催化剂表面，与从多孔阴极扩散过来的氮气发生还原反应产生氨气；但是，进入多孔阳极的反应物(水)进行汽化，会造成额外的能耗，并且相对于液态水，其供应效率较低，并且比较难保持质子交换膜的湿润性，从而降低氢质子的传导性能，进而影响阴极合成氨的效率；阴极产物为气态氨，收集存储所需要的容器体积较大。(2)聚合物电解质膜型电催化氮气还原合成氨电解槽，聚合物膜(质子交换膜)将阳极和阴极腔室分隔开，还原催化剂负载在聚合物膜上；阳极池中通常以KOH等强碱性水溶液作为电解液，阴极腔室直接通入氮气，经过气体扩散层到还原催化剂表面进行合成氨反应；这类电解槽的还原产物为氨气，收集存储所需要的容器体积较大，此外，阴极腔室内产物(氨气)与反应物(氮气)容易发生返混现象，阻碍氮气还原反应，降低合成氨效率；(3)H型电催化氮气还原合成氨电解槽(简称H型电解槽)，H型电解槽是最常见的电催化电解槽，阴极池与阳极池被质子交换膜隔开，两个反应池的电解液是同一种碱性电解液(KOH等水溶液)，催化剂负载在电极片表面；阴极池中，氮气通入水中，扩散到电极上的催化剂表面进行反应，生成氨气，氨气的水溶性极好(53.97g/100g水)，直接溶解在溶液中。发生反应的电极表面化学反应较为剧烈，不适合作为电压基准，参比电极可作为外加电压驱动力的参照基础；但是这类电解槽需要将氮气先通入阴极池电解质溶液中，再扩散到电极的催化剂表面上反应，由于氮气的水溶性较差，1体积水仅能溶解0.02体积的氮气，极大地限制了合成氨反应的效率；(4)单槽型电催化氮气还原合成氨电解槽(简称单槽
型电解槽)，这类电解槽没有使用质子交换膜将阴极反应区和阳极反应区分隔开，容易产生交叉耦合反应，阳极氧化产物扩散到阴极发生还原反应，而阴极还原产物扩散到阳极发生氧化反应。
[0004]因此，本领域迫切需要开发一种电催化氮气还原合成氨反应装置及系统，用于生产易于存储的氨水，提高合成氨反应效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种用于生产易存储的氨水、合成氨效率高的电催化氮气还原合成氨反应装置、系统及合成氨方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术提供的一种电催化氮气还原合成氨反应装置，包括阴极反应室和阳极反应室，其中，所述阴极反应室与所述阳极反应室之间设置有质子交换膜，所述质子交换膜附着于筛板上；
[0008]所述阴极反应室在远离所述质子交换膜的一侧设置有阴极盖板，所述阴极反应室内设置有阴极气体扩散电极，所述阴极气体扩散电极与质子交换膜之间设置有框架；
[0009]所述阳极反应室内设置有阳极电极，所述阳极反应室在远离质子交换膜的一侧设置有阳极盖板；
[0010]所述阴极盖板与框架固定连接，所述阳极盖板与框架固定连接；所述阴极盖板上设置有氮气进口，所述框架的一侧设置有阴极产物出口，所述框架的另一侧设置有第一液体进口，所述阳极盖板上设置有阳极产物出口和第二液体进口。
[0011]本专利技术以氮气和水(或者电解质水溶液)为原料，将氮气从氮气进口通入阴极反应室内，水通过第一液体进口和第二液体进口分别进入阴极反应室和阳极反应室内。
[0012]本专利技术将氮气进口设置在阴极盖板上，将第一液体进口和阴极产物出口设置在框架上，使氮气优先扩散到阴极气体扩散电极表面，而非直接通入水中；在电催化作用下，氮气和水在电源输入的电子作用下发生还原反应，生成氨气，生成的氨气极易溶于水，形成氨水，氨水从框架的阴极产物出口排出；以便对氨水经过气液分离和浓缩，获得易于存储的氨水。
[0013]在所述阳极反应室，水溶液在阳极电极表面发生水氧化反应，生成氧气，反应过程中产生的电子通过电极汇流到电源。
[0014]作为本专利技术的优选实施方式，所述阴极气体扩散电极与所述阴极盖板之间留有空隙；所述阴极盖板在靠近所述阴极气体扩散电极的一侧设置有导流槽。
[0015]进一步的，所述阴极气体扩散电极与阴极盖板之间的间距为2～10mm。
[0016]阴极气体扩散电极与阴极盖板形成的空间可以作为反应物(N2)的停滞空间，而导流槽可以使氮气在该空间形成稳定、均匀流向扩散电极的扩散压力。
[0017]作为本专利技术的优选实施方式，所述阴极气体扩散电极包括依次设置的阴极气体扩散层、阴极集流板及阴极催化剂层。
[0018]进一步的，所述阴极气体扩散层为碳纤维纸板，所述阴极集流板为铜网。
[0019]进一步的，所述阴极催化剂层的制备方法，包括如下步骤：
[0020]将阴极氮气还原催化剂充分分散混合于全氟磺酸型聚合物溶液中，得到混合物
料；将混合物料喷涂于阴极集流板上，烘干处理后，在所述阴极集流板上形成阴极催化剂层。
[0021]进一步的，所述阴极氮气还原催化剂呈颗粒状，平均粒径为50～3000nm；所述阴极氮气还原催化剂包括金属合金颗粒和硫氧化物颗粒，所述阴极氮气还原催化剂中金属合金的质量分数为80～95％，所述金属合金包括铁、钼、钨、钴、锰中的至少两种。
[0022]进一步的，所述阴极催化剂层的厚度为1～200μm。
[0023]作为本专利技术的优选实施方式，所述框架的厚度为5～15mm，使质子交换膜与阴极气体扩散电极之间预留出一定空间给反应物H2O，以便H2O参与氮气还原合成氨的反应。
[0024]作为本专利技术的优选实施方式，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，包括阴极反应室和阳极反应室，其中，所述阴极反应室与所述阳极反应室之间设置有质子交换膜，所述质子交换膜附着于筛板上；所述阴极反应室在远离所述质子交换膜的一侧设置有阴极盖板，所述阴极反应室内设置有阴极气体扩散电极，所述阴极气体扩散电极与质子交换膜之间设置有框架；所述阳极反应室内设置有阳极电极，所述阳极反应室在远离质子交换膜的一侧设置有阳极盖板；所述阴极盖板与框架固定连接，所述阳极盖板与框架固定连接；所述阴极盖板上设置有氮气进口，所述框架的一侧设置有阴极产物出口，所述框架的另一侧设置有第一液体进口，所述阳极盖板上设置有阳极产物出口和第二液体进口。2.如权利要求1所述的电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，所述阴极气体扩散电极与所述阴极盖板之间留有空隙；所述阴极盖板在靠近所述阴极气体扩散电极的一侧设置有导流槽。3.如权利要求1所述的电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，所述阴极气体扩散电极包括依次设置的阴极气体扩散层、阴极集流板及阴极催化剂层。4.如权利要求1所述的电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，所述阳极盖板在靠近所述阳极电极的一侧设置有凹槽，所述阳极电极设置于所述阳极盖板的凹槽开口处。5.如权利要求1所述的电催化氮气还原合成氨反应装置，其特征在于，所述阳极电极由泡沫镍、及负载在泡沫镍表面的阳极催化剂层组成。6.一种电催化氮气还原合成氨反应系统，其特征在于，包括如权利要求1～5中任一项所述的电催化氮气还原合成氨反应装置；还包括空分装置、反渗透装置及电解质水溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗志斌，蔡春荣，孙张伟，李伟科，张春文，朱光涛，
申请(专利权)人：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：