[发明专利]氮气生成氨气的装置和方法

权利要求书

1.一种氮气生成氨气的装置，其特征在于，包括工作电极隔室和对电极隔室；所述工作电极隔室和所述对电极隔室连通且之间设有用于间隔的质子导电阳离子交换膜；所述工作电极隔室设置有第一工作电极和第二工作电极，所述第一工作电极为光电阴极，所述第二工作电极为多孔网络结构的电极，所述第一工作电极与所述第二工作电极间隔且相对设置，所述工作电极隔室设有进气口和出气口，从所述进气口进入的反应气体能够依次经过所述第二工作电极和所述第一工作电极后从所述出气口排出；所述对电极隔室设置有对电极和参比电极。

2.如权利要求1所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述对电极隔室有两个，其中一个与所述工作电极隔室的进气一侧连通，另一个与所述工作电极隔室的出气一侧连通。

3.如权利要求1～2任一项所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述第一工作电极包括助催化剂、保护层和半导体吸光器；

其中，所述保护层设置在所述半导体吸光器上，所述助催化剂设置在所述保护层上；所述保护层的厚度为5～20nm，所述助催化剂的厚度为5～10nm。

4.如权利要求3所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述助催化剂选自贵金属、过渡金属氧化物和硫化物中的至少一种。

5.如权利要求3所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述保护层选自含梯度缺陷宽带隙的氧化物、含梯度缺陷宽带隙的碳化物和含梯度缺陷宽带隙的氮化物中的一种；其中，所述宽带隙为2.5eV以上。

6.如权利要求3所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述半导体吸光器为p型半导体材料。

7.如权利要求1～2任一项所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述第二工作电极的材质选自过渡金属及其合金、氧化物、氮化物、硫化物和碳化物中的一种；所述过渡金属选自钴、镍、铁、铜和钨中的一种。

8.如权利要求7所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述第二工作电极孔隙率为60～90％，孔径大小为0.01～10mm。

9.如权利要求1～2任一项所述的氮气生成氨气的装置，其特征在于，所述第二工作电极为不锈钢基电极。

10.一种氮气生成氨气的方法，其特征在于，使用如权利要求1～9任一项所述的氮气生成氨气的装置，所述方法包括以下步骤：

1)将所述第一工作电极、第二工作电极、对电极和参比电极与电化学工作站连接；在所述工作电极隔室和所述对电极隔室灌入电解液；

2)从所述进气口注入氮气；

3)打开电化学工作站电源，氮气从所述进气口经过所述第二工作电极被激活形成活性氮物种，对所述第一工作电极给与光照，活性氮物种随着氮气气流到达所述第一工作电极表面还原加氢，获得氨产物，多余氮气从所述出气口排出。

11.如权利要求10所述的氮气生成氨气的方法，其特征在于，所述第二工作电极的应用电压相对于可逆氢电极为-0.1～-0.9V；所述第一工作电极的应用电压相对于可逆氢电极为0.3～-0.5V。