[发明专利]一种合成氨的催化剂

说明书

本发明涉及一种合成氨的催化剂，该类催化剂包含主族元素的含氮/含氢/含氮氢化合物和过渡金属Ⅷ族元素氮化物及相关的载体或添加剂。本发明作为一种新型的合成氨催化剂，在合成氨反应中表现出优异的催化活性，尤其在相对的低温低压条件下(低于30bar，低于300℃)。

技术领域

本发明涉及催化剂技术，尤其是高活性的合成氨催化剂，适用于从氮气和氢气混合气出发催化合成氨。

背景技术

目前世界上每年合成氨所消耗的能量约占世界能耗的1％，这主要是工业采用的催化剂的特点所决定的。工业上主要采用的是铁基催化剂(国际上以四氧化三铁为主组分，我国独创以氧化亚铁为主组分的催化剂)，这类催化剂都以氧化铝，氧化钾，氧化钙，以及稀土氧化物为助催化剂。铁基催化剂主要有两个特点：首先这类催化剂需要在高温高压的条件下操作，不但对设备要求比较高，并且运行能耗极大；其次铁基催化剂容易中毒，所以对合成气的纯度要求很苛刻，需要额外建造气体净化装置，这也提高了建厂的成本。所以，随着能源危机的日益加重，研究在低温低压条件下高效合成氨催化剂也日益重要。

碱金属碱土金属作为助剂已经广泛应用在合成氨催化剂中了，但是大多都是以氧化物形式添加的，虽然已经取得了比较好的效果，但是仍然没有解决催化剂低温低压条件下取得高活性的目标。我们用碱金属碱土金属的含氮/含氢/含氮氢化合物代替后氧化物后，发现合成氨活性有明显的提升，特别是在相对的低温低压条件下效果明显。

发明内容

早在1908年，就有相关专利表明，在高温高压下(2400psi，450℃)，LiNH₂可以催化合成氨，其过程可以分解为两步：

4LiNH₂+H₂+N₂＝Li₂NH+4NH₃ (1)

2Li₂NH+3H₂+N₂＝4LiNH₂ (2)

经过上述两步过程，实现催化合成氨的过程。最近的研究表明，LiNH₂与过渡金属复合之后，可以作为高效的氨分解催化剂，特别是与Mn复合之后，氨分解活性甚至可以超过贵金属钌，我们发现这类化合物同样可以作为合成氨的高效催化剂。

已有的研究表明，碱金属和碱土金属氨基化合物在氢气流中加热可以产生氨气，反应式如下：

M(NH₂)_x+2H₂＝MH_x+2NH₃(M＝Li，Na，K，Cs时，x＝1；M＝Mg，Ca，Sr时，x＝2)

该反应式也可以逆向进行，在合成氨条件下，H₂和NH₃是同时存在的，所以在本发明中，从这类主族元素的氢化物出发与它们的氨基/亚氨基化物出发可以起到同样的作用。

这些主族元素的含氮或/和含氢化合物可负载于一定的大表面载体上，用于提高催化剂的比表面积，从而提高活性。

本发明提供的合成氨的催化剂，催化剂由主体和添加剂组成；上述主体是Ⅷ族金属及其含氮化合物中的一种或者两种以上；添加剂包括载体、主族元素的含氮化合物、主族元素的含氮氢化合物或主族元素的含氢化合物的一种或者两种以上；所述催化剂主体与添加剂的质量比范围为200:1至1:100。

述Ⅷ族金属及其含氮化合物包括：Fe、Fe_xN(x＝1，2，3或4)、Co、Co_xN(x＝1，2或3)、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt中的一种或者两种以上。