[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

说明书

技术领域

本发明属于电催化合成技术领域，具体涉及低温常压下高效电催化合成氨的方法及装置。 

背景技术

自1909年哈伯（Harber）氨合成法诞生以来，该方法已延续并发展了一个多世纪。科研工作者不断革新其工艺流程，研制新的催化剂及催化助剂，试图降低合成氨温度和合成氨压力并提高氮气的转化率，但无论怎样革新该方法仍然无法突破热力学的限制。随着全世界对氨需求量的不断增加以及能源问题和环境污染问题的日益突出，对高效率、低能耗、与环境友好的合成氨新方法的探索成为保证全球可持续发展的必然要求。许多合成氨新方法应运而生，如常温常压流光放电法、微波法、超声波法及电催化法等，而其中电催化合成氨法是其中研究较多、机理较成熟的一种。将电能引入合成氨，一方面可使一些热力学非自发反应在电能的推动下发生，从而拓展氨合成方式的研究领域；另一方面还可使合成氨反应不受或少受热力学平衡对转化率的限制。采用电催化方法还可实现了氨的常温常压合成。 

在电催化合成氨中，首先通过修饰在电极表面的电催化剂对氮分子进行初步的吸附活化，而后通过电极向被吸附的氮分子提供额外的电子促使其进一步发生供电子活化并提供还原所需的电子，同时通过电解质溶液或固体电解质向氮分子提供质子化所需的H⁺。与复相催化剂吸附活化和分子氮配合物供电子活化存在的活化、还原、质子化过程相互割裂的情形不同，电催化合成氨有利于创设与固氮酶相似的协同活化和还原合成的固氮环境，而且电催化合成氨可以通过控制电极电势有效地控制氮分子的活化程度、通过控制氮气和质子的输送速率方便地控制合成过程，这显然对动力学和机理的研究非常有利。但由于阴极催化剂的催化效率较低成为该方法的瓶颈。 

发明内容

本发明提供一种低温常压下高效电催化合成氨的方法，以固氮酶模型化合物铁硫簇化合物为阴极催化剂，以避免传统氨合成过程的高温、高压与高能耗及电催化合成氨时阴极催化剂催化效率较低的问题。 

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案： 

本发明提供一种低温常压高效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。

作为优选的技术方案，所述阳极电极材料为Pt催化剂修饰的碳布。 

作为优选的技术方案，所述阴极电极材料为硫桥联双（多）核铁簇合物催化剂修饰的碳布。 

作为优选的技术方案，所述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。 

作为优选的技术方案，所述的稳压电源的直流输出电压为-3.0V~3.0V。 

作为优选的技术方案，所述低温常压高效电催化还原氮气合成氨的方法为连续操作，阳极室连续通入水饱和的纯H₂，阴极室连续通入纯N₂。 

本发明还提供了一种低温常压电催化还原氮气合成氨的装置，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，以Nafion溶液为粘结剂；

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，以Nafion溶液为粘结剂。