[发明专利]常温常压水相条件下金属氧化物催化机械化学合成氨的方法

说明书

本发明属于材料技术领域，具体为常温常压水相条件下金属氧化物催化机械化学合成氨的方法。本发明通过行星式球磨机进行机械化学球磨合成，在不锈钢球磨罐中放入不锈钢磨球、金属氧化物粉末、纯水并通入氮气，常温常压下直接球磨，反应完成后溶液经过静置、离心，通过离子色谱法验证溶液中存在铵根离子(NH₄⁺)。本发明将金属氧化物Fe₂O₃或TiO₂作为辅助催化剂，使合成氨反应势垒降低，诱发并促进常温常压下难以进行的合成氨反应，增强机械化学方法合成氨反应的性能。本发明利用氮气作为氮原子来源，利用水作为氢质子来源，避免了制备氢气产生的环境污染；利用水作为反应物，缓解了磨球与球磨罐体的磨损，延长球磨设备的使用寿命。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种常温常压水相条件下金属氧化物辅助催化机械化学合成氨方法。

背景技术

当前合成氨(NH₃)工业主要通过Haber-Bosch工艺进行。该反应在农用化肥生产领域增加了粮食产量，养活了全球众多人口，同时在炸药生产国防领域至关重要，被誉为20世纪最重要的发明。工业合成氨反应需要高温、高压的条件(300-550℃，15-25 MPa)，通过铁基催化剂进行热催化，对设备要求高，并且能源消耗大，消耗了世界总能源的1-2％，并排放大量的CO₂，造成了严重的环境污染。因此，开发绿色清洁、低能耗的合成氨工艺具有重要的社会意义。本发明提出一种常温常压水相条件下金属氧化物辅助催化机械化学球磨合成氨方法。通过行星式球磨机进行机械化学球磨合成，在不锈钢材质的球磨罐中放入不锈钢材质磨球、金属氧化物粉末，纯水并通入氮气，常温常压下直接球磨，反应完成后溶液经过静置、离心，通过离子色谱法验证了溶液中存在铵根离子(NH₄⁺)。与未加金属氧化物催化剂的对照实验进行对比，在众多金属氧化物中筛选出对合成氨反应有催化活性的催化剂——三氧化二铁(Fe₂O₃)和二氧化钛(TiO₂)，证明了Fe₂O₃和TiO₂对常温常压下机械球磨合成氨反应有辅助催化的作用。相对于Haber-Bosch工艺，该方法反应条件简单、绿色安全，对设备要求低。

发明内容

为了绿色、低能耗的固氮合成氨，本发明的目的在于提供一种反应条件简单、绿色安全的常温常压水相条件下金属氧化物催化机械化学合成氨方法。

本发明提供的常温常压水相条件下金属氧化物催化机械化学合成氨方法，是通过球磨过程获得机械力，同时将金属氧化物Fe₂O₃或TiO₂作为辅助催化剂，使合成氨反应势垒降低，诱发并促进常温常压下难以进行的合成氨反应，增强了机械化学方法合成氨反应的性能。具体步骤为：

（1）将适量的纯水、固体金属氧化物粉末、不锈钢材质磨球置于不锈钢材质的真空球磨罐中，对球磨罐通入氮气一段时间排除罐体内的空气，密封球磨罐，使罐体内处于常温常压充满氮气的环境；

（2）将步骤（1）中准备好的球磨罐安装在行星式球磨机中，以300~600转/分钟的速率球磨1~12小时，完成反应后取出球磨罐；

（3）取出步骤（2）罐体中的悬浊液，通过离心机离心两次，每次离心转速12000-15000r/min，时间4-8min，用以分离出固体金属氧化物催化剂和水溶液；

（4）将步骤（3）中的水溶液通过离子色谱法检测，测出NH₄⁺的浓度从而算出产氨性能；同时对金属氧化物催化剂进行X射线衍射(XRD)表征，分析催化剂反应前后的变化。

本发明中，球磨罐和磨球均为不锈钢材质。