[发明专利]一种硼氮共掺杂碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于催化剂和氨制备的技术领域，公开了一种硼氮共掺杂碳材料及其制备方法与应用。方法：将氮化硼与碳材料分别置于反应装置的不同高温反应区域，且氮化硼位于气流的上方，碳材料位于气流的下方；在载气的流动下，水蒸气输送至氮化硼所处的区域，氮化硼与水蒸气进行高温反应，获得前驱体小分子；前驱体小分子随着气流输送至碳材料所处的区域，碳材料与前驱体小分子进行共掺杂反应，获得硼氮共掺杂碳材料；高温反应的温度为800～1200℃；共掺杂反应的温度为500～900℃。本发明的方法，简单，成本低，原料廉价易得，绿色环保。制备的硼氮共掺杂碳材料在催化氮气制氨时，催化效率好。所述硼氮共掺杂碳材料用于催化氮气制氨。

技术领域

本发明属于催化剂以及氨气制备的技术领域，特别涉及一种硼氮共掺杂碳材料及其制备方法与应用。所述硼氮共掺杂碳材料在氨的制备中的应用，用作催化剂，特别是氮气还原制氨的催化剂，催化氮气还原制氨。

背景技术

氨是一种非常重要的化合物和工业肥料。它可用于制造氨水、氮肥尿素、碳铰等复合肥料、硝酸、铰盐、纯碱等物质，这些物质已经广泛被应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维等领域。再者，工业生产的含氮有机物中间体、磺胺药、聚氨醋、聚酞胺纤维和丁睛橡胶等也都需直接以氨为原料。伴随着日益突出的能源短缺、环境污染和人口数量不断增加等问题，势必会引起全世界对氨需求量的不断增加，到目前为止全世界每年氨的产量高达20亿吨。因此，探索高效率、高产量、低能耗、与环境友好的合成氨方法已经成为保证全球可持续发展的必然要求。

已经有100多年历史的Haber-Bosch法制氨仍然是工业生产氨气的主要路线。该方法主要是利用金属催化剂的作用，将空气中的氮和水中的氢在400-500℃和130-170帕的压力下进行化学反应。反应的方程式：3H₂+N₂＝2NH₃。该方法的整个生产过程的条件非常苛刻，不仅需要金属Ru或Fe等作为催化剂，而且需要高温高压。

迄今为止，制氨催化剂的研究重点还是集中在贵金属(Pt，Ru，Au等)材料上，因为贵金属在还原制氨过程中表现出极高的催化活性。然而，贵金属稀缺、昂贵，极大地限制了工业化的应用。因此，储量丰富、价格低廉的非贵金属催化剂(如Mo纳米膜，Fe₂O₃-CNT)和非金属催化剂(如N掺杂多孔碳，N掺杂多孔碳MOF，B掺杂石墨烯)被深入研究，但使用它们来合成氨的产量及其法拉第效应仍非常有限。因此，如何进一步提升非贵金属或非金属的催化效率、体系稳定性以及寻找非贵金属或非金属催化剂等替代物是目前亟待解决的技术问题和难点。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种硼氮共掺杂碳材料及其制备方法。本发明的制备方法简单、高效、成本低廉、产率高、产业化预期高。所获得的硼氮共掺杂碳材料为非贵金属的材料，在催化氮气还原制氨时，具有较好的催化效率。

本发明的另一目的在于提供上述硼氮共掺杂碳材料的应用。所述硼氮共掺杂碳材料在在氨的制备中的应用，用作催化剂，特别是氮气还原制氨的催化剂，催化氮气还原制氨。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种硼氮共掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：

将氮化硼与碳材料分别置于反应装置的不同高温反应区域，并且氮化硼位于气流的上方，碳材料位于气流的下方；在载气的流动下，水蒸气输送至氮化硼所处的区域，氮化硼与水蒸气进行高温反应，获得前驱体小分子；前驱体小分子随着气流输送至碳材料所处的区域，碳材料与前驱体小分子进行共掺杂反应，获得硼氮共掺杂碳材料。

所述高温反应的温度为800～1200℃，高温反应的时间为1～5h；

所述共掺杂反应的温度为500～900℃，共掺杂反应的时间为1～5h，优选为1～3h。

所述高温反应的升温速率为5-20℃/min；所述共掺杂反应的升温速率为5-20℃/min。