一种过渡金属元素修饰的二硫化钼、其催化氮气还原制氨的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种过渡金属元素修饰的二硫化钼、其催化氮气还原制氨的方法和装置，所述的改性二硫化钼为六方晶系结构；其表面包括至少一个具有(001)晶面或钼截断的边界，是采用过渡金属元素掺杂的二硫化钼钼边界所得；过渡金属元素包括：锆，铌，锰，铁，钨，钌，铼之任一种。在常温常压下，将N2供给至电解池，通电使N2与电解池中的阴极的电极表面充分接触，在远小于

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属元素修饰的二硫化钼、其催化氮气还原制氨的方法和装置


[0001]本专利技术属于工艺化学领域，具体涉及用电解方法由氮气生产氨，以及用于该生产的新型功能化二硫化钼催化剂。

技术介绍

[0002]氨是世界上生产量最大的工业化学品之一，同时可作为氢能源的载能物质。为了打开惰性的N≡N三键(其键能为945kJ/mol)，工业上采用哈伯
‑
博施方法，该方法须在需要在高温高压下才能实行氮气到氨气的转变[1
‑
5]。其具体的反应压力位200
‑
250bar，反应温度为400
‑
500℃，这就导致了在生产过程中需要消耗大量外界能源。除此之外，在反应过程中每一吨NH3的产生，不可避免产生1.5吨的CO2，这与世界所提倡的碳达峰碳中和的发展理念相违背。
[0003]自然界中，微生物通过固氮酶对氮气进行固定，该固氮酶主要有负责反应的铁钼蛋白以及复制电荷转移的铁蛋白所构成。其反应可在室温室压下进行。因此，人造类固氮酶，通过施加电势的方式促进氮气到氨气的转变，引起科学界以及工业界的巨大兴趣[6]。质子将通过阳极处的水分解产生并通过水性溶液输送，同时通过所施加的电势将电子从外部驱动到电极表面。如果这被实现，就可以开发小规模且更分散的氨工厂，室温室压下运行，但目前，在实施上还存在NH3形成的效率低于H2形成的效率，致使氮气还原反应的产氨速率大大降低。
[0004]具备类固氮酶结构的二硫化钼片层，根据理论计算，二硫化钼片层的边界可在外加电势为0.68V的前提下，可实现氨气的生产[7]。其电化学测试表明在
‑
0.5V的外加电势下，得到NH3产率为8.08
×
10
‑
11
mol
·
s
‑1·
cm
‑1。但是需要注意的是，在此电压下，MoS2可促进氢气的产生，因此其NH3的法拉第效率为仅1.17％。因此，如何降低其外加电势，提高催化性能，压制析氢反应，提高其产氨效率，是优化MoS2片层的关键问题。
[0005]参考文献如下：
[0006][1]B.H.R.Suryanto,H.
‑
L.Du,D.Wang,J.Chen,A.N.Simonov,D.R.MacFarlane,Challenges and prospects in the catalysis of electroreduction of nitrogen to ammonia,Nat.Catal.,2(2019)290
‑
296.
[0007][2]G.Soloveichik,Electrochemical synthesis of ammonia as a potential alternative to the Haber
–
Bosch process,Nat.Catal.,2(2019)377
‑
380.
[0008][3]C.Liu,Q.Li,C.Wu,J.Zhang,Y.Jin,D.R.MacFarlane,C.Sun,Single
‑
Boron Catalysts for Nitrogen Reduction Reaction,J Am Chem Soc,141(2019)2884
‑
2888.
[0009][4]J.Deng,J.A.C.Liu,Electrocatalytic Nitrogen Reduction at Low Temperature,Joule,2(2018)846
‑
856.
[0010][5]S.Buren,E.Jimenez
‑
Vicente,C.Echavarri
‑
Erasun,L.M.Rubio,Biosynthesis of Nitrogenase Cofactors,Chem Rev,120(2020)4921
‑
4968.
[0011][6]S.
‑
L.Meng,X.
‑
B.Li,C.
‑
H.Tung,L.
‑
Z.Wu,Nitrogenase inspired artificial photosynthetic nitrogen fixation,Chem,7(2021)1431
‑
1450.
[0012][7]L.Zhang,X.Ji,X.Ren,Y.Ma,X.Shi,Z.Tian,A.M.Asiri,L.Chen,B.Tang,X.Sun,Electrochemical Ammonia Synthesis via Nitrogen Reduction Reaction on a MoS2 Catalyst:Theoretical and Experimental Studies,Adv Mater,30(2018)e1800191。

技术实现思路

[0013]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种过渡金属元素修饰的二硫化钼、其催化氮气还原制氨的方法和装置，其使得在常温常压、低电极电势下的高效氨生产成为可能。
[0014]为了实现上述专利技术目的，本申请采用了以下技术方案：
[0015]一种过渡金属元素修饰的二硫化钼，具有以下特征：
[0016](1)其为六方晶系结构；
[0017](1)其表面包括至少一个具有(001)晶面或钼截断的边界，是采用过渡金属元素掺杂的二硫化钼的钼边界所得；
[0018]所述的过渡金属元素包括：锆，铌，锰，铁，钨，钌，铼之任一种。
[0019]较佳地，所述的过渡金属元素为钨或者铼；所得过渡金属元素修饰的二硫化钼相应的为：单一钨元素掺杂二硫化钼、钨原子对掺杂二硫化钼、铼原子对掺杂二硫化钼。
[0020]上述过渡金属元素修饰的二硫化钼用于催化氮气还原制氨的用途，该催化剂能够将在低电极电势下将氮气还原成氨气，且NH3形成的效率高于H2形成的效率。
[0021]本专利技术提供了一种生产氨的方法，所述方法包括：将N2供给至电解池，所述电解池包含阴极、阳极和电解质溶液，并且包含至少一种质子源；使N2与电解池中阴极的电极表面接触，其中，所述电极表面包括包含至少一种过渡金属元素修饰的二硫化钼的催化剂表面；以及使电流通过所述电解池，由此氮与质子反应形成氨。
[0022]本专利技术还提供了产生氨的电解池，在该电解池中，发生的电解反应，从气流中去除NOx，将氮氧化物转变成氨气以及水，减少了尾气中污染物的量。
[0023]所述电解池包括阴极、阳极、电解质溶液和至少一种质子源；
[0024]其中，阳极和阴极，处于两个不同的隔室中或者处于同一个隔室中；
[0025]其中，阴极表面包括含有至少一种过渡金属元素修饰的二硫化钼作为催化剂；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属元素修饰的二硫化钼，其特征在于：(1)其为六方晶系结构；(1)其表面包括至少一个具有(001)晶面或钼截断的边界，是采用过渡金属元素掺杂的二硫化钼的钼边界所得；所述的过渡金属元素包括：锆，铌，锰，铁，钨，钌，铼之任一种。2.根据权利要求1所述的过渡金属元素修饰的二硫化钼，其特征在于：所述的过渡金属元素为钨或者铼；所得过渡金属元素修饰的二硫化钼相应的为：单一钨元素掺杂二硫化钼、钨原子对掺杂二硫化钼、铼原子对掺杂二硫化钼。3.根据权利要求1所述的过渡金属元素修饰的二硫化钼用于催化氮气还原制氨的用途，其特征在于，该催化剂能够将在低电极电势下将氮气还原成氨气，且NH3形成的效率高于H2形成的效率。4.根据权利要求3所述的用途，其特征在于，所述的低电极电势是小于
‑
1.08V电极电势，较佳是小于
‑
0.5V，更佳是小于
‑
0.3V的电极电势下；与形成的NH3摩尔数相比，形成的H2摩尔数小于50％，较佳是小于20％，更佳是小于10％。5.根据权利要求3所述的用途，其特征在于，过程如下：(1)在大气压力、0℃～50℃反应温度下，将N2供给至电解池，所述电解池包含阴极、阳极和电解质溶液，并且包含至少一种质子源；(2)使N2与电解池中的阴极的电极表面充分接触，其中，该阴极电极具有催化表面,是通过包括含有至少一种过渡金属元素修饰的二硫化钼而获得催化作...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖蓓蓓，刘昕，杨磊，姜小宝，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：