[发明专利]一种以氮掺杂多孔碳材料为载体的钌基氨合成催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于化肥催化剂技术领域，具体涉及一种以氮掺杂多孔碳材料为载体的钌基氨合成催化剂及其制备方法。所述催化剂制备过程中，先将六水合硝酸锌溶于碱性水溶液中，2‑甲基咪唑溶于N，N‑二甲基甲酰胺后加入碱性水溶液，将上述溶液混合均匀后水热反应、碳化得到氮掺杂多孔碳材料。将无氯钌化合物和聚乙烯吡咯烷酮共同溶解于乙二醇溶液后加热、用乙醇‑丙酮混合溶液洗涤，然后加入乙醇溶液；加入上述多孔碳材料搅拌后静置，分离、干燥后还原得到所述氮掺杂多孔碳材料为载体的钌基合成氨催化剂，所制备的催化剂不仅具有更高的比表面积，还有较高的氮掺杂量，因此具有更高的氨合成活性，有着较好的应用前景。

技术领域

本发明属于化肥催化剂技术领域，具体涉及一种以氮掺杂多孔碳材料为载体的钌基氨合成催化剂及其制备方法。

背景技术

合成氨工业是国民经济支柱产业，目前用于工业合成氨的Haber-Bosch方法必须在高温（400–500 ℃）高压（15–30 MPa）的苛刻条件下生产氨，使得合成氨工业成为一个高能耗和资本密集型产业。合成氨工业节能降耗的关键是高性能催化剂的应用，因此高效合成氨催化剂的研究和设计一直是催化领域的研究热点，目前活性炭负载钌催化剂是温和条件合成氨的最有应用前景的氨合成催化剂，它的成功应用大幅度降低了合成氨工业的能耗，但要实现大规模工业化应用，还需要进一步深入研究具有更高性能的碳材料负载钌催化剂。

近年以来碳材料的快速发展，很多新型的碳材料成为金属催化剂的载体材料，对碳材料的改性和修饰有望大幅度改善所制备的金属催化剂的性能，其中碳材料中氮掺杂不仅可以去除表面的含氧基团，还可以影响所负载金属的电子性质以及反应气体的吸附性质，是碳材料改性和修饰的重要手段之一。专利CN106513030A报道了在石墨化的活性炭上引入三聚氰胺含氮前驱体，进行机械搅拌混合、恒温水浴加热、煅烧后得到氮掺杂活性炭，但是这种方法所获得的氮含量在0.72-7.61wt%之间。专利CN104785255A报道了在商业活性炭上引入含氮前驱体，煅烧后冷却后、索式提取得到高比表面积的氮掺杂活性炭，但是这种方法所获得的氮含量在1-10wt%之间，以之为载体制备钌催化剂时其氨合成性能还有待于进一步提高。专利CN107694594A报道了一种利用碳材料与金属离子氨混合，在惰性气氛下在碳浴中进行微波反应，得到固载金属的氮掺杂碳材料，但是这种方法所获得的氮含量在1-4wt%之间，且其制备材料比表面积仅有380~450m²/g。显然，现有技术所制备的氮掺杂碳材料难以同时保持高比表面积和较高的氮含量，不适合作为钌基氨合成催化剂的理想载体材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以氮掺杂多孔碳复合材料，通过在复合材料的制备过程中引入氮官能团，所制备的氮掺杂多孔碳复合材料载体的比表面积较高，氮掺杂量较大，因此成为钌基氨合成催化剂的理想的载体材料，所制备钌催化剂具有较高的氨合成活性，并且其能克服现有商业碳材料负载钌催化剂活性较低和氮掺杂炭复合材料负载钌催化剂比表面积较低且氮含量较低的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

所述以氮掺杂多孔碳材料为载体的钌基氨合成催化剂，氮掺杂多孔碳复合材料的氮的质量分数为12%~18%，其BET比表面积为700~900 m²/g。

所述以氮掺杂多孔碳材料为载体的钌基氨合成催化剂的制备方法，以氮掺杂多孔碳复合材料为载体，以钌为活性组分，其中以氮掺杂多孔碳复合材料的质量计算，钌的添加量为1-10wt%。

具体包括以下步骤：

1）将六水合硝酸锌溶于碱性水溶液中；

2）将二甲基咪唑溶于N，N-二甲基甲酰胺溶液，然后添加碱性水溶液；

3）将上述步骤1）和2）所得的溶液混合搅拌均匀后，在水热反应一定时间后，将所得的悬浮液离心，洗涤，干燥，得到固体产物；

4）将上述步骤3）所得的固体产物高温碳化得到氮掺杂多孔碳复合材料；