一种基于水和氮气微液滴气-液界面限域催化反应的绿氨制备方法技术

本公开提供一种基于水和氮气微液滴气

【技术实现步骤摘要】
一种基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应的绿氨制备方法


[0001]本公开涉及绿色能源
，且特别涉及一种基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应的绿氨制备方法。

技术介绍

[0002]氨作为一种重要的化工原料，广泛应用化肥，医药、能源等领域。在“双碳”愿景驱动下，氨被认为是一种具有重要应用前景的“能源载体”和“载氢体”，其绿色合成技术的突破，有助于氢能的长足发展，并具有重要的意义。目前工业生合成氨主要采用Haber
‑
Bosch工艺，该工艺使用Fe基催化剂，反应条件为：350
‑
550℃，100
‑
300atm，具有能耗大、污染重、设备工艺要求高等特点。研究表明，Haber
‑
Bosch工艺，年释放约6.7亿吨CO2，约占全球总碳排放的2.4％，有极大的减排压力。因此，亟需一种新的合成氨技术，解决现有合成氨工艺中碳排放量过高的问题，最终实现“零碳”排放的氨生产，即绿氨生产。
[0003]近年来，伴随着氢能产业的发展，相关技术中，采取改进的Habere
‑
Bosch方法利用电解水制得的绿氢与氮气反应制备绿氨，一方面与传统工业中得到的灰氨与蓝氨相比，该路线主要依赖可再生能源实现绿色氢
‑
氨融合；另一方面，氨作为液体有机储氢载体，在后续的氢产业链(制，储，运，用)中具有重要的作用。然而，上述绿氨的制备涉及到两个过程，即绿氢基于电解水工艺制备和绿氨基于氮气与绿氢反应制备，有赖于风，光，电可再生能源的普及和成本降低，但从实际终端应用考虑，其成本仍然受绿氢的度电成本限制，进而增大了终端绿氨的成本，使得规模化发展受到限制。
[0004]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0005]本公开提供一种基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应的绿氨制备方法，主要利用微液滴反应，气
‑
液界面限域催化等，以氮气和水作为直接的反应物，通过微液滴气
‑
液界面限域催化引发的自由基链式反应，实现了直接制备绿氨的新方法，为氨制备过程中实现“零碳”技术问题，提供了新思路和方法。
[0006]本专利技术公开了一种基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应的绿氨制备方法，包括：
[0007]S1，将水和调节剂混合，得到水溶液，其中，所述调节剂选自纳米材料、导电聚合物和具有氧化还原性的无机盐中的一种或多种；
[0008]S2，将水溶液输入微液滴生成装置，生成微液滴，所述微液滴的尺寸小于或等于10μm；
[0009]S3，在所述微液滴的喷雾端形成氮气氛围，以使所述微液滴中的水和氮气借助气
‑
液界面自发生成的自由基反应生成氨；
[0010]S4，检测或收集所述氨。具体地，生成的氨可以是以气体方式存在的氨气或者以液体方式存在的氨水。
[0011]具体地，在本专利技术中，其本质在于氮气与微液滴气
‑
液界面产生的氢自由基(
·
H)结合形成(
·
HNN)，降低了氮气反应的活化能和反应势垒，同时体系中的羟基自由基通过自洽结合方式，形成过氧化氢的自由基反应过程，具体如下：
[0012][0013]6·
OH
→
3H2O2[0014]反应总方程式如下：
[0015][0016]在本公开的一个示例性实施例中，所述微液滴生成装置选自电喷雾装置、气动喷雾装置和超声雾化装置中的一种。
[0017]在本公开的一个示例性实施例中，所述微液滴生成装置为电喷雾装置，所述电喷雾装置具有电喷雾探针，所述水溶液注入所述电喷雾探针的流速为5
‑
150μL/min；所述电喷雾探针的内径为5～150μm，且施加偏电压的大小为3～7kV，以生成尺寸小于10μm的微液滴；其中，所述电喷雾探针的喷雾端施加有氮气，以形成氮气氛围。
[0018]在本公开的一个示例性实施例中，所述电喷雾装置具有多个电喷雾探针。
[0019]在本公开的一个示例性实施例中，所述微液滴生成装置为气动喷雾装置，所述气动喷雾装置包括内管、嵌套在所述内管外侧的外管，所述内管的端部形成喷雾端，氮气通入至所述外管中作为鞘气，所述水溶液注入到所述内管中，并经由所述鞘气雾化形成所述微液滴；且所述鞘气流动至所述喷雾端，以形成所述氮气氛围。
[0020]在本公开的一个示例性实施例中，所述水溶液注入所述内管的流速为5
‑
150μL/min，所述氮气作为鞘气的压力为60
‑
120psi，生成的微液滴的飞行速度为65～110m/s。
[0021]在本公开的一个示例性实施例中，所述无机盐选自氯金酸、氯化钯和氯金酸
‑
氯化钯中的一种或多种；所述纳米材料选自金纳米颗粒、钯包金纳米颗粒、金钯纳米复合物和磁性纳米颗粒中的一种或多种；所述导电聚合物选自C
60
‑
(OH)n、碱化聚苯胺
‑
金纳米粒子复合物和酸化聚苯胺
‑
金纳米粒子复合物中的一种或多种，所述调节剂在微液滴反应中具有或可生成电子传导效应。
[0022]在本公开的一个示例性实施例中，所述调节剂为无机盐时，所述无机盐在所述水溶液中的浓度为50～1000μg/mL；所述调节剂为纳米材料或导电聚合物时，所述纳米材料或导电聚合物在所述水溶液中的浓度为10
‑5～10
‑1mg/mL。
[0023]在本公开的一个示例性实施例中，收集所述氨的步骤包括：所述检测或收集所述氨的步骤，包括：
[0024]在所述微液滴生成装置的喷雾端设置质谱检测仪，所述质谱检测仪接收所述喷雾
端生成的产物，进行质谱检测；所述产物为氨或酰胺，在步骤S1中的水溶液中加入有机酸，所述酰胺由有机酸和氨反应生成；
[0025]或者，
[0026]在所述微液滴生成装置的喷雾端设置收集装置，所述收集装置具有一密闭的收集腔，所述喷雾端置于所述收集腔中。
[0027]在本公开的一个示例性实施例中，所述收集腔内还设有导电板和/或加热装置，所述导电板接地或连接有与高电压，以移除所述收集腔内累积的电荷。
[0028]在本公开的一个示例性实施例中，所述收集腔连接有进气管道和出气管道，所述进气管道内通入有氮气，生成的氨气经由所述出气管道输出。
[0029]本公开实施例的基于微液滴反应的绿氨制备方法的有益效果是：
[0030]实施本公开的绿氨制备方法，通过微液滴生成装置得到直径小于10μm的微液滴，微液滴在界观尺度下存在“限域效应”，具有特殊物理化学性质，如高比表面积，丰富的电荷密度以及介电双层的强电场等。微液滴作为微反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应的绿氨制备方法，其特征在于，包括：S1，将水和调节剂混合，得到水溶液，其中，所述调节剂选自纳米材料、导电聚合物和具有氧化还原性的无机盐中的一种或多种；S2，将水溶液输入微液滴生成装置，生成微液滴，所述微液滴的尺寸小于或等于10μm；S3，在所述微液滴的喷雾端形成氮气氛围，以使所述微液滴中的水和氮气借助气
‑
液界面自发生成的自由基反应生成氨，其中，总反应方程式为：S4，检测或收集所述氨。2.根据权利要求1所述的基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应的绿氨制备方法，其特征在于，所述微液滴生成装置选自电喷雾装置、气动喷雾装置和超声雾化装置中的一种。3.根据权利要求2所述的基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应绿氨制备的方法，其特征在于，所述微液滴生成装置为电喷雾装置，所述电喷雾装置具有电喷雾探针，所述水溶液注入所述电喷雾探针的流速为5
‑
150μL/min；所述电喷雾探针的内径为5～150μm，且施加偏电压的大小为3～7kV，以生成尺寸小于10μm的微液滴；其中，所述电喷雾探针的喷雾端施加有氮气，以形成氮气氛围。4.根据权利要求3所述的基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应绿氨制备的方法，其特征在于，所述电喷雾装置具有多个电喷雾探针。5.根据权利要求2所述的基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催化反应的绿氨制备方法，其特征在于，所述微液滴生成装置为气动喷雾装置，所述气动喷雾装置包括内管、嵌套在所述内管外侧的外管，所述内管的端部形成喷雾端，氮气通入至所述外管中作为鞘气，所述水溶液注入到所述内管中，并经由所述鞘气雾化形成所述微液滴；且所述鞘气流动至所述喷雾端，以形成所述氮气氛围。6.根据权利要求5所述的基于水和氮气微液滴气
‑
液界面限域催...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆凯，罗海龙，
申请(专利权)人：骆凯，
类型：发明
国别省市：