[发明专利]低温常压高效电催化还原氮气合成氨的方法及装置

权利要求书

1.一种低温常压电催化还原氮气合成氨的方法，特征在于：构建一个包括阳极室和阴极室的电催化电解池，阳极室和阴极室用质子交换膜Nafion 117分隔，阳极室中放置阳极电极，阴极室中放置阴极电极，阳极电极和阴极电极通过导线分别与稳压电源的高电位端和低电位端相连；阳极催化剂为Pt；阴极催化剂为邻苯二硫酚桥联双核铁配合物；水饱和的H₂在阳极电极表面被Pt催化剂催化产生H⁺和电子，产生的H⁺和电子分别通过质子交换膜和外电路迁移到阴极电极表面，并与阴极室提供的N₂在阴极电极表面被邻苯二硫酚桥联双核铁配合物催化剂催化生成NH₃。

2.根据权利要求1所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的方法，其特征在于：电催化电解池的阳极室和阴极室的腔室为蛇形结构，增加了反应物与催化剂接触的概率，从而提高了阴、阳极的电极反应效率。

3.根据权利要求1所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的方法，其特征在于：所述方法以固氮酶模型化合物邻苯二硫酚桥联多核铁配合物为阴极催化剂。

4.根据权利要求1所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的方法，其特征在于：所述方法在最佳条件下合成氨速率达2.18×10^-8 mol·cm^-2·s^-1。

5.一种低温常压电催化还原氮气合成氨的装置，特征在于：所述装置包括：导气管，阳极铜集流板，阳极电极，质子交换膜，导线，稳压电源，导线，阴极电极，及阴极铜集流板；

阳极铜集流板内开有导流槽，作为电催化电解池的阳极室，上、下导气管分别与导流槽连通；

阴极铜集流板内开有导流槽，作为电催化电解池的阴极室，上、下导气管分别与导流槽连通；

通过螺丝将阳极铜集流板、阳极电极、质子交换膜、阴极电极及阴极铜集流板固定在一起，阳极室和阴极室用质子交换膜Nafion 117分隔；

阳极电极经导线与稳压电源的高电位相连；阴极电极经导线与稳压电源的低电位相连；稳压电源的直流输出电压为-3.0V~3.0V；

阳极电极为涂布Pt催化剂的碳布；

阴极电极为涂布邻苯二硫酚桥联双核铁配合物催化剂的碳布。

6.根据权利要求5所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的装置，其特征在于：电催化电解池的阳极室和阴极室的腔室为蛇形结构，增加了反应物与催化剂接触的概率，从而提高了阴、阳极的电极反应效率。

7.根据权利要求5所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的装置，其特征在于：所述装置以固氮酶模型化合物邻苯二硫酚桥联多核铁配合物为阴极催化剂。

8.根据权利要求5所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的装置，其特征在于：所述阳极室连续通入水饱和的纯H₂，所述阴极室连续通入纯N₂；所述H₂和H₂纯度均为99.99%，其流速均为30 mL/min。

9.根据权利要求5所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的装置，其特征在于：所述阳极电极涂布的Pt催化剂为相对碳布面积0.5 mg/cm²，所述阴极电极涂布的邻苯二硫酚桥联双核铁配合物为相对碳布面积催化剂0.5 mg/cm²。

10.根据权利要求5所述的一种低温常压电催化还原氮气合成氨的装置，其特征在于：所述稳压电源的直流输出电压为2 V。