[发明专利]电催化还原氮气的合成氨方法及所用催化剂

权利要求书

1.用于电催化合成氨的过渡金属单原子催化剂，其特征是：采用光沉积法，按照如下步骤制备而得：

1）、制备作为载体的碳材料：

将1g碳粉、（1±0.1）g硝酸钠和（46±2）mL浓硫酸在冰浴下均匀搅拌后，加入（6±0.6）g高锰酸钾于30~40℃下反应（1±0.2）h；接着加入（40±10）mL去离子水，于（90±10）℃加热反应30~50min；

反应时间到达后，加入（100±10）mL去离子水以停止反应，然后加入（6±1）mL过氧化氢溶液；再用3%的盐酸和去离子水反复清洗，直至洗涤液pH为中性；清洗后的产物超声分散、真空冷冻干燥，得碳材料；

2）、过渡金属单原子催化剂的制备：

先将水与有机溶剂混合形成混合溶剂，水与有机溶剂的体积比为6:1~10:1；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、二氧六环、二氧戊环、二乙二醇二甲醚、乙二醚二甲醚；

按照TiO₂：碳材料=1：（1±0.1）的重量比，在混合溶剂中分散TiO₂和碳材料，再加入过渡金属盐均匀混合，接着置于光照下室温反应1~6h，反应所得物冷冻固化后，再真空冷冻干燥，得过渡金属单原子催化剂；

过渡金属单原子催化剂中，过渡金属元素的质量负载量为0.1~10%；

所述步骤2）中：过渡金属为钒（V）、铌（Nb）、钽（Ta）；

过渡金属盐为偏钒酸钠、焦钒酸钠、正钒酸钠、草酸铌、铌酸钾、五氯化钽、氟钽酸钾、偏钽酸钾。

2.根据权利要求1所述的用于电催化合成氨的过渡金属单原子催化剂，其特征是：

所述步骤2）中：反应所得物先于-15~-25℃冷冻固化1.5~2.5h，然后真空冷冻干燥，得过渡金属单原子催化剂。

3.根据权利要求2所述的用于电催化合成氨的过渡金属单原子催化剂，其特征是：为光沉积法制备Ta/G单原子催化剂，包括以下步骤：

在水：乙醇=9:1，v/v的混合溶剂30ml中分散50mgTiO₂和50mg碳材料，直至TiO₂、碳材料被均匀分散，得分散液；

向上述分散液加入0.99mg五氯化钽；接着将其置于光源下照射搅拌反应4h，然后于冰箱内冷冻2h至溶液固化成固体，最后真空冷冻干燥24h，获得质量分数为1.0%的Ta/G单原子催化剂101.0mg。

4.利用如权利要求1~3任一所述的过渡金属单原子催化剂进行的电催化还原氮气的合成氨方法，利用三电极体系的电催化装置，在阴极电解池中设置参比电极RE和工作电极WE，在阳极电解池中设置对电极CE，阴极电解池、阳极电解池中均装有电解液；其特征是：

在工作电极WE的表面设置过渡金属单原子催化剂涂层，在阴极电解池内的电解液中通入氮气至饱和，施加电压，进行电解。