[发明专利]用于氨合成、氨分解的催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及催化剂领域，具体涉及一种用于氨合成、氨分解的催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氢气是一种清洁能源，其燃烧产物为水。以氢气为燃料的质子膜燃料电池(PEMFC)是一项高效环保技术，具有无污染物排放、效率高(＞60％)、无噪音、启动快等优点，在电动汽车、小型移动电子设备、家庭或医院等的备用电源方面有巨大的市场前景。然而，阻碍氢能PEMFC获得大规模应用的主要原因是氢气的储存和电极催化剂的失活问题。氢气的储存需要使用高储氢量的材料或液体含氢燃料。由含碳基质制备出来的氢不可避免地含有降低PEMFC寿命的毒物CO。由于氨具有较高的含氢量(17.6％)，其分解产物为氢气和氮气，其氮气对于PEMFC的电极没有负面影响。另外，氨易于液化(氨在20℃时的液化压力只有0.8MPa)，便于储存和运输。在可以获得商业应用的高储存材料和长久性抗CO中毒催化剂出现之前，以氨气为原料生产PEMFC燃料氢气将是行之有效的技术途径之一。

目前，氨合成催化剂和氨分解催化剂，其活性组分主要为Fe、Ni、Co、Mo、Ru以及Fe-Co合金，载体多为MgO、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SiO₂、MCM-41、SBA-15、活性炭、碳纳米管(CNTs)和超强碱。在这些催化剂的研究中，以Ru为活性中心和CNTs为载体的负载型贵金属催化剂显示了较高的催化活性。然而，由于CNTs成本较高以及在长时间的N₂-H₂还原气氛下会发生甲烷化等反应，并最终导致催化剂活性的下降，所以限制了将来它在实际的工业化应用。最近，有文献报道纳米结构的固体钛酸盐作为负载Ru催化剂，该载体中碱性促进剂Na和K介入到载体晶格中，对氨分解显示了较高的活性，但是该载体在温度高于490℃时易发生分解。

层状硅酸盐是一类由一系列[ZO₄]四面体以角顶相连成二维无限延伸的层状硅氧骨干的硅酸盐矿物。硅氧骨干中最常见的是每个四面体均以三个角顶与周围三个四面体相连而成六角网孔状的单层，其所有活性氧都指向同一侧。四面体片通过活性氧再与其他金属阳离子(主要是Mg²⁺、Fe²⁺、Al³⁺等)相结合。如果结构单元层本身的电价未达平衡，则层间可以有低价的大半径阳离子(如K⁺、Na⁺、Ca²⁺等)存在，如云母、蒙脱石等。可见，碱金属或碱土金属均匀地分布在层状硅酸盐中，而且层状硅酸盐为天然矿物耐酸、耐碱、耐高温的特性，有望成为氨分解高活性和高稳定性的载体用于负载Ru催化剂。但是，尚未有文献涉及层状硅酸盐用作氨分解制氢催化剂的载体。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种用于氨合成、氨分解催化剂。

本发明的第二个目的在于提供所述催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供所述催化剂的应用。

本发明的用于氨合成、氨分解的催化剂，以层状硅酸盐为载体，负载活性组分钌。所述载体为白云母或钠蒙脱土；所述活性组分钌的粒径为1-16纳米；所述载体占所述催化剂的重量百分比为0.5-20％，所述活性组分钌占催化剂的重量百分比为80-99.5％。

本发明的用于氨合成、氨分解的催化剂，采用等量浸渍法制备，包括如下步骤：

A)、将含活性组分钌的前驱体溶液滴加到载体上，边滴边剧烈搅拌，室温下静止8-14h；

B)、将静置的样品放在20-120℃干燥2-12h；

C)、将样品在200-600℃、氢气气氛下还原活化2-5h；

其中，所述前驱体溶液为RuCl₃溶液，所述载体为白云母或钠蒙脱土。

本发明的用于氨合成、氨分解的催化剂，采用离子交换法制备，包括如下步骤：

A)、将载体加入到含有活性组分钌的前驱体溶液中，在20-100℃反应2-12h；

B)、将反应后的溶液过滤、洗涤，然后在20-120℃干燥6-12h；

C)、将样品在200-600℃、氢气气氛下还原活化2-5h；

其中，所述前驱体溶液为RuCl₃溶液，所述载体为白云母或钠蒙脱土。

本发明的催化剂可用于催化氨气分解制备零COx氢气，也可用于催化氢气和氮气反应合成氨气。