[发明专利]硼碳氮电催化材料及其制备方法和在氮还原合成氨中的应用

说明书

一种硼碳氮电催化材料及其制备方法和在氮还原合成氨中的应用，所述硼碳氮电催化材料具有纳米尺度的镂空网格形貌结构，均匀分布在可裁剪的碳纸衬底上，其制备方法为(1)将尿素、硼酸和聚乙二醇完全溶解于去离子水中，加入碳纸衬底，使碳纸衬底上分布上硼酸、尿素和聚乙二醇的混合物，将碳纸衬底蒸干水分；(2)将碳纸衬底置于置于程序升温管式炉中，在氩气气氛下，煅烧得到硼碳氮电催化合成氨材料。本发明的材料具有稳定性强、耐化学腐蚀、耐高温及电导性好等特征，可在较低电压下实现电催化还原N₂至NH₃，催化稳定性良好。该催化材料的原料低廉易得、合成工艺简单、容易大规模生产，催化性能优越，十分适于在电催化合成氨领域中应用。

技术领域

本发明涉及一种硼碳氮电催化材料及其在氮还原合成氨中的应用，属于电催化剂技术领域。

背景技术

作为一种重要的化工产品，氨在化工产业中占有着不可或缺的地位。自20世纪初Haber-Bosch合成氨的方法诞生以来，科研工作者不断对催化合成氨技术工艺进行革新，研制新的催化剂及助催化剂尝试降低合成氨的温度和压力并提高氮转氨的转化率。但是，随着能源问题和环境问题的日益凸显，探索高效率、低能耗和环境友好的合成氨新方法成了可持续发展的必然要求。考虑到氮转氨的反应本质，充足的电子(e^-)和质子(H⁺或H^.)源可以促进氨的合成，反应方程式：N₂+6H⁺+6e^-→2NH₃。基于此，电催化合成氨成为了一种潜在的新方法。该方法具有反应温和、能耗低、环境友好等优势。然而电催化合成氨仍然有诸多不足，如法拉第效率不高，反应环境苛刻，催化剂易失活等。

为了解决上述问题，催化剂的选择和使用至关重要。目前的低温电催化合成氨催化剂多为金属催化剂。过渡金属是促进N≡N断裂的关键组分，N≡N的反键π轨道可由过渡金属提供的外层电子加速N≡N的断裂，从而达到提高合成氨速率的目的。但是，金属易过渡吸附活性氢。鉴于此，寻找一种既可促进N≡N键断裂又可以抑制H₂的竞争吸附的催化剂成为催化剂领域的研究热点。研发制备新型高效的中性条件稳定高效催化固氮的非金属电催化剂迫在眉睫。

发明内容

本发明旨在提供一种硼碳氮电催化材料及其在氮还原合成氨中的应用。

本发明的硼碳氮电催化材料，其具有纳米尺度的镂空网格形貌结构，分布在碳纸衬底上。均匀分布，碳纸衬底可裁剪。

上述硼碳氮电催化材料的合成方法，包括以下步骤：

(1)将尿素、硼酸和聚乙二醇完全溶解于去离子水中，加入碳纸衬底，使碳纸衬底上分布上硼酸、尿素和聚乙二醇的混合物，将碳纸衬底蒸干水分；

所述聚乙二醇为聚乙二醇1000，1500，2000，3000或4000。所述硼酸和聚乙二醇的质量比为0.15：0.5～8，所述尿素和硼酸的摩尔比为1～10:1。所加碳纸衬底尺寸为1cm×2cm～10cm×10cm。所述碳纸衬底蒸干水分是在80℃和常压条件下进行。

(2)将碳纸衬底置于程序升温管式炉中，在氩气气氛下，通过程序升温煅烧得到硼碳氮电催化合成氨材料。

所述程序升温速率为2℃/min～10℃/min，起始温度为室温，保持温度为900℃～1100℃，保温时间为1小时～5小时。

上述硼碳氮电催化材料按以下方式应用于氮还原合成氨：

硼碳氮材料为工作电极，以Pt为对电极，Ag/AgCl为参比电极，采用三电极反应装置，在电场辅助下，在不同电压下氮还原合成氨。