一种质子交换膜型电化学氮还原系统及氨合成法技术方案

本发明专利技术公开了一种质子交换膜型电化学氮还原系统及氨合成法，该系统包括：相连通的阳极电解池和阴极电解池；阳极电解池内盛有阳极电解液，阳极电解液为水电解液；阳极电解液内设置有阳极，阳极电解池上安装有下端位于阳极电解液液面上方的氧气排气管；阴极电解池内盛有阴极电解液，阴极电解液包括锂源

【技术实现步骤摘要】
一种质子交换膜型电化学氮还原系统及氨合成法


[0001]本专利技术涉及电化学
，具体涉及一种质子交换膜型电化学氮还原系统及氨合成法
。

技术介绍

[0002]氨
(NH3)
是全球总产量最高的化学工产品之一，在全球经济中占有重要地位
。NH3是农业中“固定氮”的重要来源，目前
80
％以上的
NH3用于化肥生产
。
随着全球人口增加，到
2050
年，
NH3的需求预计将达到每年
3.5
亿吨
。
此外，由于
NH3作为氢能源载体展现出来极大潜力，预计
NH3的需求将进一步增加
。
[0003]目前，
NH3是通过
Harber
‑
Bosch
反应由氮气和氢气在高温高压下合成，该反应中所用
H2主要由天然气产生，每吨
NH3的生产伴随
1.9
吨二氧化碳的排放
。
该过程约占全球二氧化碳排放量的
1.8
％，此外，
Harber
‑
Bosch
反应需要高温
(300℃
‑
500℃)
和压力
(200bar
‑
300bar)
，且只能在大型工业工厂的大型反应器中实现
。
因此，通过提高
Haber
‑
Bosch
生产能力来满足日益增长的氨需求，与目前低碳
、
清洁的能源发展趋势背道而驰
。
[0004]因此，要开发一种固定
N2的工艺，以可再生能源为驱动，在环境温度下将
N2还原成
NH3。
电化学氮还原反应
(NRR)
作为一种可在环境温度下合成氨的方法，引起了科研人员极大的兴趣
。
然而，电化学氮还原反应目前存在的瓶颈是传统水系电解液中，氮的溶解度极低，产氨速率非常低，相比
Harber
‑
Bosch
工艺低两个数量级，法拉第效率也只有
30
％
‑
40
％
。
锂介导的
N2电还原性能是目前提高氨产率方面最有前途的方法，但是仍旧远不满足实际应用的需求
。
限制锂介导
NRR
体系性能和寿命的重要因素是参与反应的质子源与质子穿梭载体的化学性质，因此，设计一种能够实现质子穿梭而不被消耗的锂介导
NRR
体系是实现高效电催化
NRR
的前提
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的氮溶解度低
、
产氨速率低
、
质子穿梭物不稳定的问题，本专利技术提供一种质子交换膜型电化学氮还原系统及氨合成法，其以阳极侧的电解水提供质子源，在阴极侧引入磷盐作为质子穿梭载体，实现锂介导电化学还原氮；在解决上述问题的同时，可提升整个系统的法拉第效率
。
[0006]本专利技术公开了一种质子交换膜型电化学氮还原系统，包括：相连通的阳极电解池和阴极电解池；
[0007]所述阳极电解池内盛有阳极电解液，所述阳极电解液为水电解液；所述阳极电解液内设置有阳极，所述阳极电解池上安装有下端位于阳极电解液液面上方的氧气排气管；
[0008]所述阴极电解池内盛有阴极电解液，所述阴极电解液包括锂源
、
有机溶剂
、
磷盐和质子源；所述阴极电解液内设置有阴极，所述阴极电解池上安装有下端位于阴极电解液液面下方的氮气进气管和下端位于阴极电解液液面上方的氮气排气管；
[0009]所述阳极电解池和阴极电解池的连通处设有质子交换膜，所述质子交换膜阻隔所
述阳极电解液和阴极电解液
。
[0010]作为本专利技术的进一步改进，所述阳极包括玻碳电极
、
金属氧化物电极和陶瓷电极中的一种
。
[0011]作为本专利技术的进一步改进，所述阴极的材料包括铜
、
铁
、
镍
、
铬
、
钨和银中的一种
。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述质子交换膜包括全氟磺酸质子膜
、
部分氟化聚合物质子膜
、
非氟化聚合物质子膜和复合膜中的一种
。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，
[0014]所述锂源包括高氯酸锂
、
六氟砷酸锂
、
四氟硼酸锂
、
六氟磷酸锂中的一种或多种；
[0015]所述有机溶剂包括四氢呋喃
、
碳酸丙烯酯
、
碳酸乙烯酯
、
碳酸二甲酯
、
碳酸甲丙酯
、
邻苯二甲酸二甲酯
、
甲酸甲酯中的一种或多种；
[0016]所述磷盐为四烷基化膦盐；
[0017]所述质子源包括甲醇
、
乙醇
、
水和异丙醇中的一种
。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，所述阴极电解液中锂源的浓度为
0.1
～
2mol/L。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，所述阴极电解液中质子源和有机溶剂的体积比为
1:(5
～
20)。
[0020]本专利技术还公开了一种氨合成法，采用上述的质子交换膜型电化学氮还原系统，包括：
[0021]通电后，阳极电解池发生水电解，产生的氢离子经过质子交换膜后进入阴极电解池中，氧气通过氧气排气管排出阳极电解池外；
[0022]通过氮气进气管向阴极电解池中通入氮气或包括氮气的反应气体，氮气经锂还原生成氮化锂，未反应的反应气体通过氮气排气管排出；阳极一侧传递过来的质子经载体磷离子运输，与氮化锂反应合成氨；
[0023]磷离子在去质子化状态下形成叶立德结构，循环到质子交换膜处时，通过与氢离子反应再生回到磷的形式，从而继续与氮化锂反应合成氨
。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，包括：所述氮气通过超声波拉法尔喷嘴系统生成纳米氮后通入所述阴极电解液中
。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，通电电压为大于
‑
1.5V vs
可逆氢电极
(RHE)
，通入反应气体的过程保持反应气体压强为1～
50bar N2。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0027]本专利技术引入磷盐作为质子穿梭载体，在传输质子过程中不发生消耗，能够提高锂介导
NRR
系统的性能和寿命，从而提升氨产率；
[0028]本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种质子交换膜型电化学氮还原系统，其特征在于，包括：相连通的阳极电解池和阴极电解池；所述阳极电解池内盛有阳极电解液，所述阳极电解液为水电解液；所述阳极电解液内设置有阳极，所述阳极电解池上安装有下端位于阳极电解液液面上方的氧气排气管；所述阴极电解池内盛有阴极电解液，所述阴极电解液包括锂源
、
有机溶剂
、
磷盐和质子源；所述阴极电解液内设置有阴极，所述阴极电解池上安装有下端位于阴极电解液液面下方的氮气进气管和下端位于阴极电解液液面上方的氮气排气管；所述阳极电解池和阴极电解池的连通处设有质子交换膜，所述质子交换膜阻隔所述阳极电解液和阴极电解液
。2.
如权利要求1所述的质子交换膜型电化学氮还原系统，其特征在于，所述阳极包括玻碳电极
、
金属氧化物电极和陶瓷电极中的一种
。3.
如权利要求1所述的质子交换膜型电化学氮还原系统，其特征在于，所述阴极的材料包括铜
、
铁
、
镍
、
铬
、
钨和银中的一种
。4.
如权利要求1所述的质子交换膜型电化学氮还原系统，其特征在于，所述质子交换膜包括全氟磺酸质子膜
、
部分氟化聚合物质子膜
、
非氟化聚合物质子膜和复合膜中的一种
。5.
如权利要求1所述的质子交换膜型电化学氮还原系统，其特征在于，所述锂源包括高氯酸锂
、
六氟砷酸锂
、
四氟硼酸锂
、
六氟磷酸锂中的一种或多种；所述有机溶剂包括四氢呋喃
、
碳酸丙烯酯
、

【专利技术属性】
技术研发人员：闫岸如，王智勇，王肖博，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：