[发明专利]氮气生成氨气的装置和方法

说明书

本发明公开了一种氮气合成氨气的装置和方法，装置包括工作电极隔室和对电极隔室，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，工作电极隔室设置有第一工作电极和第二工作电极，第一工作电极与第二工作电极间隔且相对设置，工作电极隔室设有进气口和出气口，从进气口进入的反应气体能够依次经过第二工作电极和第一工作电极后从出气口排出，对电极隔室设置有对电极和参比电极。相比于单一的工作电极，本发明添加以多孔材料作为第二工作电极显示了更优的光电化学氮还原合成氨性能。此类辅助增强方法还能拓展到光电化学的其它反应，特别是反应速率迟滞的多电子、多步骤反应。

技术领域

本发明涉及光电化学技术领域，尤其是涉及一种氮气生成氨气的装置和方法。

背景技术

氮还原合成氨是自然界中最重要的化学反应过程之一，为人类和地球生态系统的平衡做出重要贡献。氨作为最基本的化学物质，是各种工业的基础前驱体，用于生产化肥、合成纤维、染料、炸药、树脂等化学品。同时，由于高氢含量(17.8％)，高体积能量密度(13.6GJ/m³)，无碳排放和易于运输(沸点为-33℃)等特点，氨可视为未来氢能源载体的潜在候选者。据统计，全球每年氨产量为1.5～2亿吨，而工业上合成氨的主要手段仍是传统的Haber-Bosch方法，其要求在150～350atm和350～550℃的条件下生成，且平均能耗占世界总能耗的1～2％，排放了约1.5％的全球温室气体。

在众多的可再生能源中，太阳能具有丰富、清洁、安全等特性而备受研究人员的关注。地球上每天接收太阳的辐射能量约为120000TW，远超地球生命生存所需能量总额15TW。当前，利用太阳能最普遍的方式是光伏发电和光热发电，能直接将太阳能转化为电能，用于工业生产和国民生活中。但是，由于太阳能的瞬时性和间歇性的问题以及现有的大规模化学燃料基础应用设施的存在，单纯地用太阳能进行发电无法满足自然和社会资源最大化的目的，而将太阳能转化为易储存、运输和使用的化学燃料可能是一条行之有效的补充路线。结合氮还原形成氨的需求，光电化学氮还原研究不仅为绿色合成氨技术提供了可行的途径，也开拓了太阳能资源的应用范围和市场前景。但是，现有的光电阴极在室温常压下均显示了低的氨产率和低的转换效率，严重阻碍了光电化学氮还原合成氨的发展。

发明内容

基于此，有必要提供一种能够有效提高氨产率和转换效率的氮气生成氨气和方法。

一种氮气生成氨气的装置，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。

在其中一些实施例中，所述氮气生成氨气的装置中，所述对电极隔室有两个，其中一个位于所述工作电极隔室的进气一侧，另一个位于所述工作电极隔室的出气一侧。

在其中一些实施例中，所述氮气生成氨气的装置中，所述氮气生成氨气的装置还包含电化学工作站，所述电化学工作站用于与各电极电连接。

在其中一些实施例中，所述氮气生成氨气的装置中，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。

在其中一些实施例中，所述氮气生成氨气的装置中，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。

在其中一些实施例中，所述氮气生成氨气的装置中，所述贵金属选自铂、金、银、钯和铑中的至少一种；和/或

所述过渡金属氧化物选自氧化钨和氧化铁中的一种；和/或