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【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电催化制氨的,具体公开一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维碳基催化剂的制备方法及其产品和应用。
技术介绍
1、氨是世界上产量最大的化工产品之一,在全球经济中占有重要地位。目前,全球氨产量约为1.5亿吨/年,主要来源于传统的哈伯合成氨工艺:即在高温、高压条件下利用铁基催化剂将高纯度的氮气和氢气转化为氨气。哈伯法合成氨工艺能耗高,污染严重:整个过程的能耗占世界年能耗总量的1%,使用的高纯氢来源于化石燃料的天然气重整,每年的co2排放量高达4.5亿吨。因此,寻找一种绿色环保、低能耗的合成氨方法对国民经济的可持续性发展具有重要意义。电化学合成氨法可使热力学非自发的合成氨反应在电能的推动下不受或少受热力学平衡限制,实现氨的常温常压合成,因而成为备受关注的研究领域。
2、磷化铁(fe3p)电催化剂,尤其是磷化铁纳米结构材料,是一类非常有前途的电化学 nrr 合成氨的备选催化剂。但是该材料在使用过程中也存在着一定的问题,一方面是较低的n2溶解度限制了其传质过程,另一方面是剧烈的析氢反应与之竞争,使选择性和活性很低。为了提高电化学nrr 合成氨的反应速率和选择性(以法拉第效率来衡量),对于磷化铁电催化剂的纳米结构工程设计一直是研究者们努力的焦点;开发有效的策略来促进磷化铁电催化剂上 n2分子的选择性吸附和活化,是一项非常有意义的工作。
3、碳纸纤维(carbon fiber paper,cfp )不仅能够为原位生长的活性材料提供了表面的生长平面,其内部空间也具有丰富的附着位点,同时还具备高导电性和高稳定
4、本专利技术提供了一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法及应用。专利技术使用碳纸纤维作为基底,将三维fe3p材料制备出来并负载于碳纸纤维上,通过烷基硫醇进一步修饰fe3p,构建出硫醇改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料。此材料的特点在于,硫醇修饰可以调节fe3p的表面电子结构和化学活性,这样有利于n2电还原活性,加速合成氨nh3的催化形成。当fe3p和碳纸纤维组成耦合界面,基于mott-schottky异质结界面静电势的调控,将改善电化学氮气还原反应的选择性,最终使改性的fe3p/cfp表现出非常优异的电化学性能,尤其在电化学的氮气还原方面。该制备方法对材料的性能提升较为明显,在电化学合成氨的研究中将具有长远的开发前景。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于提供一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法。
2、本专利技术的再一目的在于:提供一种上述方法制备的加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料产品。
3、本专利技术的又一目的在于:提供一种上述产品的应用。
4、本专利技术目的通过下述方案实现:一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,利用硝酸铁溶液作为前驱体并将碳纸纤维置入,在反应釜中水热合成碳纸纤维支撑的氧化铁材料;接着磷化并硫醇改性,得到磷化铁/碳纸纤维复合电极材料,包括以下步骤:
5、步骤一,碳纸纤维支撑的氧化铁材料的制备:
6、在烧杯中称量浓度为1.0 mol/l的硝酸铁溶液30 ml,加入氨水调整ph值为10,搅拌均匀后将溶液转入含聚四氟乙烯内胆的反应釜中,并向反应釜中置入一张5*5 cm的碳纸纤维,接着100~150℃水热反应6h,反应结束后将固相物水洗烘干,并转入管式炉中在保护性氮气气体氛围下450℃温度下煅烧3 h, 最终得到碳纸纤维支撑固体颗粒材料,即为fe2o3/cfp材料;
7、步骤二,烷基硫醇改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备:
8、控制fe2o3/cfp与nah2po2的质量比例控制为1:3,将步骤一所得的fe2o3/cfp材料置入坩埚中,并按照比例向坩埚中加入nah2po2,盖上坩埚盖,ar气体保护下加热至适当温度下保温2h,通过气-固相反应法使fe2o3磷化得到fe3p,冷却至室温后样品即为fe3p/cfp材料;最后,配置0.5mol/l的烷基硫醇/乙醇溶液,将fe3p/cfp材料浸泡于溶液中保持4h,取出烘干,即可得到烷基硫醇改性的磷化铁/碳纸纤维复合电极材料。
9、优选的,步骤一中,水热反应的温度120℃。
10、其中,步骤二中,所述的气-固相反应法中,加热nah2po2产生的ph3蒸汽与fe2o3进行气-固相反应,反应温度控制为300℃。
11、优选的,步骤二中,所述的烷基硫醇为十六烷基硫醇,和/或十八烷基硫醇。
12、具体的,本专利技术提供一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法:
13、第一步,碳纸纤维支撑的氧化铁材料的制备:在烧杯中称量浓度为1.0 mol/l硝酸铁溶液30 ml,加入氨水调整ph值为10,搅拌均匀后将溶液转入含聚四氟乙烯内胆的反应釜中,并向反应釜中置入一张5*5 cm的碳纸纤维,接着水热法在100~150℃温度下保持6h,反应结束后将固相物水洗烘干,并转入管式炉中在保护性氮气气体氛围下450℃温度下煅烧3h, 最终得到碳纸纤维支撑固体颗粒材料,即为fe2o3/cfp材料。
14、第二步,烷基硫醇改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备:控制fe2o3/cfp与nah2po2的质量比例控制为1:3,将步骤a中得到的fe2o3/cfp置入坩埚中,并按照比例向坩埚中加入nah2po2,盖上坩埚盖,ar气体保护下加热至300℃保温2h,通过气-固相反应法使fe2o3磷化得到fe3p,冷却至室温后样品即为fe3p/cfp材料;最后,配置0.5mol/l的烷基硫醇/乙醇溶液,将fe3p/cfp材料浸泡于溶液中保持4h,取出烘干,即可得到烷基硫醇改性的磷化铁/碳纸纤维复合电极材料。
15、本专利技术提供一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料,根据上述任一所述方法制备得到。
16、本专利技术提供一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料应用于电催化制氨方面,能够加速电催化制氨反应。
17、本专利技术利用硝酸铁溶液作为前驱体并将碳纸纤维置入,在反应釜中水热合成碳纸纤维支撑的氧化铁材料;接着磷化并硫醇改性材料,最终得到磷化铁/碳纸纤维复合电极材料。硫醇修饰可以调节fe3p的表面电子结构和化学活性,同时基于fe3p和碳纸纤维之间强烈的莫特-肖特基效应,能够使氮气分子吸附在金属组分的表面带少量正电荷区域的亲电中心上,加速活化n2分子电催化制备合成氨。
18、由于硫醇能够调节fe3p的表面电子结构和化学活性,同时基于fe3p和碳纸纤维之间强烈的莫特-肖特基效应,使n2分子得到活化,从而加本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,利用硝酸铁溶液作为前驱体并将碳纸纤维置入,在反应釜中水热合成碳纸纤维支撑的氧化铁材料;接着磷化并硫醇改性,得到磷化铁/碳纸纤维复合电极材料,包括以下步骤:
2.根据权利要求1所述的一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,步骤一中,水热反应的温度120℃。
3.根据权利要求1所述的一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,步骤二中,所述的烷基硫醇为十六烷基硫醇或十八烷基硫醇。
4.根据权利要求1至3任一项所述的加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,按以下步骤制备:
5.根据权利要求1至3任一项所述的加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,按以下步骤制备:
6.一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料,其特征在于根据权利要求1-5任一所述方法制备得到。
7.一种根据权利要求6所述的加速电催
...【技术特征摘要】
1.一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,利用硝酸铁溶液作为前驱体并将碳纸纤维置入,在反应釜中水热合成碳纸纤维支撑的氧化铁材料;接着磷化并硫醇改性,得到磷化铁/碳纸纤维复合电极材料,包括以下步骤:
2.根据权利要求1所述的一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,步骤一中,水热反应的温度120℃。
3.根据权利要求1所述的一种加速电催化制氨的改性磷化铁/碳纸纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,步骤二中,所述的烷基硫醇为十六烷基硫醇或十八...
【专利技术属性】
技术研发人员:王敬锋,袁伟杰,
申请(专利权)人:上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司,
类型:发明
国别省市:
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