[发明专利]一种高效的铁钼基氮还原电催化剂及其制备方法

说明书

在氮还原方面，哈伯工艺的高消耗、高污染、低转换率，使开发一种操作简单、低消耗、低污染、高转化率的制备备受关注。本发明开发一种高效的铁钼基氮还原电催化剂及其制备方法。首先，铁源在搅拌下溶解至蒸馏水中，移至聚四氟乙烯内衬不锈钢高压釜中，水热后，冷却至室温后离心收集沉淀，干燥。将得到的含铁前驱物纳米粉体与钼源、硫源混合悬浮液下水热处理后，通过离心收集得到的含铁、钼、硫沉淀物，用蒸馏水和乙醇进一步洗涤几次。最后，将干燥含铁、钼、硫的沉淀物在管式炉中热退火，得到FeMo₃S₄纳米棒。纳米棒状的FeMo₃S₄是一种高效、稳定的NRR电催化剂。在‑0.3 V（相对标准氢电极）时NH₃产率为65.3μg h⁻¹ mg⁻¹和法拉第效率FE为19.2%。

技术领域

本发明涉及到氮还原的技术领域，特别涉及到一种高效的铁钼基氮还原电催化剂及其制备方法。

背景技术

在现代社会中能源消耗和环境问题愈发严重，开发简易操作、低污染、低消耗的新能源备受关注。氨气（NH₃），具有高能量高密度和可再生性，是非常有潜力的。氨在产量最多的无机化合物之一，在塑料、冶金、医药、国防等工业领域被广泛应用，大约80%的氨被用于农业制作化肥，如氮肥、氨水、液氨、HNO₃、铵盐、纯碱等。目前，工业上合成氨的工艺仍是需高温高压的哈伯工艺，但哈伯工艺耗能大、CO₂排放量高，急需开发出一种新的方式合成氨去降低能耗、提高产率。

在生物固氮方面，固氮微生物主要利用固氮酶来实现N₂向NH₃的转化，其中FeMoS作为固氮酶中的活性物质是固氮过程中关键的活性位点。基于FeMoS基固氮酶的研究，最近研制了几种Fe、Mo基催化剂用作固氮催化剂，已有文献报道合成了FeS/MoS₂对NRR进行催化，在电压为-0.5 V（相对标准氢电极）时，氨产率为8.5 μg h⁻¹ cm⁻²，催化效率没有到达预期。这可能是由于FeS/MoS₂的异质结结构阻止了Fe和Mo的真正协同催化氮还原。也有文献报道过FeMoO₄作为NRR催化剂，在电压为-0.5 V（相对标准氢电极）时，氨产率为45.8 μg h⁻¹ mg⁻¹。。然而，NH₃产率都不太理想，需要进一步提高。为了更好地模拟固氮酶中FeMoS协同作用，设计一种特殊的将Fe、Mo和S元素结合成一种化合物，这一点迄今尚未得到研究。由此，本发明开发一种高效的铁钼基固氮催化剂及其制备方法，证明了FeMo₃S₄是一种高效、稳定的NRR电催化剂。

本发明提供了含Fe、Mo、S共同作用的一种纳米棒状的高效催化剂。所制备的FeMo₃S₄纳米棒的特殊结构可以为电化学吸附氮气提供更多的吸附位点，而特殊的多种原子协同作用可以更好的发挥催化作用。铁钼基氮还原催化剂提高了对氮还原催化活性，为电催化固氮提供力新的方向。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种高效的铁钼基氮还原电催化剂及其制备方法。为解决上述问题本发明的技术方案为：

1．一种高效的铁钼基氮还原电催化剂及其制备方法，制备步骤如下：（1）在蒸馏水中加入含铁元素试剂制得含铁预反应液搅拌均匀后，水热反应后，自然冷却至室温，离心，洗涤，真空干燥后得到含铁前驱物纳米粉体；（2）将含铁前驱物纳米粉体与钼源、硫源试剂置于高压釜中水热处理后，自然冷却至室温，离心，洗涤，真空干燥最终得到含铁、钼、硫的沉淀物；（3）将最终得到含铁、钼、硫的沉淀物用管式炉热处理得到FeMo₃S₄纳米棒。