[发明专利]一种连续流电催化合成氨装置及电催化合成氨的方法

说明书

本发明公开了一种连续流电催化合成氨装置，包括阳极电解池、阴极电解池和顶部封闭的硫酸洗池，所述阳极电解池内设有CoPi催化剂，所述阴极电解池内设有单中心铀基负载催化剂，所述阴极电解池内设有氮气通入管，所述阴极电解池和硫酸洗池之间设有连通管，所述连通管的一端位于阴极电解池的液面以上，另一端位于硫酸洗池的液面以下。此外，本发明还公开采用该装置合成氨的方法，本发明通过将从核废液中制备的单中心铀基负载催化剂与阳极析氧催化剂CoPi组成两电极体系连续流电催化合成氨装置，NH₃富集在阴极电解液以及硫酸洗池中，实现常温、绿色、连续地电还原氮气以及氨收集过程。

技术领域

本发明涉及合成氨技术领域，特别是涉及一种连续流电催化合成氨装置及电催化合成氨的方法。

背景技术

电催化氮气还原(NRR)合成氨是一种在常温常压下进行的反应，工作电位低，且电能可通过清洁能源提供，是一种很有潜力的合成氨新工艺。但目前电催化NRR材料的产氨速率和法拉第效率低、工作稳定性不够高等都为其发展带来了巨大挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种连续流电催化合成氨装置及电催化合成氨的方法，实现了高性能电催化合成氨反应，为可持续能源高效合成氨提供了新的途径。

本发明的技术方案如下：

一种连续流电催化合成氨装置，包括阳极电解池、阴极电解池和顶部封闭的硫酸洗池，所述阳极电解池内设有CoPi催化剂，所述阴极电解池内设有单中心铀基负载催化剂，所述阴极电解池内设有氮气通入管，所述阴极电解池和硫酸洗池之间设有连通管，所述连通管的一端位于阴极电解池的液面以上，另一端位于硫酸洗池的液面以下。

在进一步的技术方案中，所述硫酸洗池上设有氮气回流管，所述氮气回流管的一端与氮气通入管连通，另一端位于硫酸洗池的液面以上。连通管收集的来自阴极电解池的气体中，含有大量的氮气和少量的氨气，设置氮气回流管，可将氮气回收并返回至阴极电解池中，继续参与电解，提高合成氨的产率。

在进一步的技术方案中，所述阳极电解池和阴极电解池中的电解液为磷酸缓冲溶液与浸出液的混合溶液。

本发明还提供了基于上述装置的连续流电催化合成氨的方法，其技术方案如下：

一种连续流电催化合成氨的方法，包括以下步骤：

S1、通过氮掺杂石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯吸附模拟核废液中的铀酰离子来制备单中心铀基负载催化剂；

S2、制备析氧CoPi催化剂；

S3、以CoPi催化剂作为阳极，单中心铀基负载催化剂作为阴极，并向阴极电解液中通入氮气，通电催化合成氨，通过硫酸洗涤收集。

在进一步的技术方案中，步骤S2中，制备析氧CoPi催化剂的方法如下：

S21、钴酸锂煅烧后用有机酸(抗坏血酸、苹果酸或柠檬酸)溶解，用柠檬酸和甲醇水溶液，水热溶解钴酸锂材料，得到浸出液(Co2+浓度为50mm)；

S22、采用三电极沉积法，以浸出液与磷酸缓冲溶液的混合溶液作为电解液，在经清洗过的FTO导电玻璃衬底上或氧化铁薄膜表面电沉积得到CoPi催化剂。

在进一步的技术方案中，步骤S21中，柠檬酸、甲醇和钴酸锂的摩尔比为：

柠檬酸：甲醇：钴酸锂＝4：0.1：1。

在进一步的技术方案中，步骤S21中，水热溶解的温度为160℃，时间为10h。

在进一步的技术方案中，步骤S22中，FTO导电玻璃衬底的清洗过程如下：