[发明专利]一种硒掺杂多孔碳基氮还原电催化剂的制备方法及应用

说明书

本发明属于电催化氮气还原合成氨技术领域，公开了一种硒掺杂多孔碳基氮还原电催化剂的制备方法及应用。其制备方法为：以多孔硅基分子筛为模板，加入有机碳源，经高温碳化、硒化后合成出不含氮物种的硒掺杂多孔碳材料。本发明的材料具有丰富的孔结构，可大大增加催化剂与反应物和电解质间的接触面积，加速传质过程。此外，硒掺杂诱导碳原子周围产生电荷积聚和自旋极化促进了氮气在碳原子上的吸附以及氮气分子的质子化过程。将其应用于电催化氮气还原合成氨反应中，表现出良好的活性、选择性及循环稳定性。该催化剂的制备方法具有普适性、成本低廉，实现了在温和条件下绿色、高效合成氨，具有良好的工业化应用潜力。

技术领域

本发明属于电催化氮气还原合成氨技术领域，具体涉及一种硒掺杂多孔碳基氮还原电催化剂的制备方法及应用。

背景技术

化石燃料的大量使用及二氧化碳的过度排放所造成的能源危机和环境污染问题日益严重，从可持续的角度出发，发展可替代的绿色可再生能源势在必行。电化学储能及转化技术由于操作简便、能量转化效率高、能与太阳能或风能等间歇性可再生能源供应相兼容等特点，被广泛应用于化学品和燃料的可持续生产。因此，将来源丰富的二氧化碳、水和氮气和等物质通过电化学催化转化为高附加值产品(如碳氢化合物、含氧化合物和氨)具有十分重要的现实意义。

氨作为一种清洁能源载体，有着能量密度高、燃烧产物环保、空气中的原料(氮气)丰富等特点，因此在生产农业化肥、染料和聚合物等领域具有很大的发展潜力。N≡N键的键能很高(941kJ/mol)，尤其是N≡N键的断裂需要克服较高的热力学能垒(410kJ/mol)，这使得目前工业合成氨的方法主要采用高温(350℃～550℃)高压(15～30MPa)的Haber-Bosch法。但是，该方法对设备要求高、能耗高、污染严重，每年消耗的能源占世界供应总量的1％～2％。

电催化氮气还原合成氨反应的原料氮气和水在地球上有丰富的储量，且电化学固氮过程中所需的电能可以从太阳能、风能等可持续能源转换得到，因此其可作为温和条件下人工固氮的可持续替代方案。目前关于电催化氮气还原合成氨反应的研究基本上都在水溶液中进行，而氮气在水中的溶解度较低，这极大影响了传质过程，且共存的竞争性析氢反应(HER)限制了电催化氮气还原合成氨反应的选择性和活性。与此同时，氮气分子质子化是反应的关键步骤，需要克服较高的能垒。因此，合理设计和开发能够改善氮气吸附与活化、有效抑制析氢且降低反应能垒的高效氮还原电催化剂至关重要。

目前，研究人员们已创新性地开发了各类催化剂，如贵金属(Pd、Au、Ru)、金属氧化物(MoO₃、TiO₂、MnO₂)、金属硫化物(MoS₂、WS₂、Fe₃S₄)、金属氮化物(W₂N₃、VN、LaN)、单原子催化剂(FeSA-N-C、Au₁-C₃N₄、Ru SAs/N-C)等。相比于贵金属的高昂的价格、非贵金属在酸碱性电解质中易腐蚀等缺点，多孔非金属碳基催化剂具有成本低廉、比表面积高、导电性好、孔隙率可控和良好的耐酸碱性等特点，广泛应用于各类电催化反应研究中。特别是碳材料的分级孔隙结构和良好的导电性是反应物与活性位点之间进行质子传递和电子传递的基本条件。因此，多孔碳材料在电催化氮气还原合成氨反应中也同样具有很大的应用潜力。