[发明专利]一种用于电催化合成氨的Bi-MoS2

说明书

本发明涉及一种用于电催化合成氨的Bi‑MoS₂纳米复合材料的制备方法，属于纳米材料技术领域；所述Bi‑MoS₂纳米复合材料以二硫化钼为基底，铋纳米晶体复合在二硫化钼基底上；以二硫化钼为基底，通过水热反应将铋纳米晶体与二硫化钼纳米片进行复合。本发明的制备过程简单可行，成本低廉且对环境友好，在不利用贵金属的条件下能够表现出优异的电化学活性，氨产率可达～15μg h^‑1mg^‑1_cat，法拉第效率可达～25％。

技术领域

本发明涉及电催化氮还原电极材料的领域，特别涉及一种用于电催化合成氨的主族金属Bi与金属硫化物MoS₂复合的电极材料及其制备方法。

背景技术

氨在生产生活中发挥着重要作用，广泛应用于化肥、纺织、制药、塑料等领域，是世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。由于N≡N的偶极矩和极高的键能(940.95kJ mol^-1)，它在化学上是惰性的，阻碍了固氮过程的进行。

自然界中，生物N₂固定作用是在温和条件下通过固氮酶进行的。然而效率很低，不能用于实际生产。工业上主要依赖Haber-Bosch法在铁基催化剂的存在下，利用N₂和H₂高温(400–500℃)高压(200–250bar)合成氨。这种方法不仅需要消耗巨大的能量(全球1–3％能量消耗)，还会产生大量的CO₂气体(每吨NH₃产生1.5吨CO₂)。因此，迫切需要开发新的可取代传统Haber-Bosch法的工艺。

到目前为止，为了促进人工氮固定，在光催化、电催化和生物策略方面，研究人员已经付出了巨大的努力。使用非均相催化剂依靠可再生太阳能和风能室温下以N₂和H₂O产NH₃的电化学还原工艺具有巨大的潜力。

在电催化氮还原过程中存在竞争性析氢反应，活性位点更容易吸附质子而不是N₂，使得大部分催化剂法拉第效率很低(例如Pt基、Rh基、Ru基等)。极低的选择性不足以满足大规模产氨的需要，因此尝试新的电极材料，提高催化性能是热点问题。此外，CN112275298A公开了一种硫化铋复合钽铌酸钾催化剂及该催化剂的制备方法与应用，具有光催化和压电催化固氮性能。并且在光催化固氮的同时实现了超声振动下将N₂转化成NH₃。CN109908887A公开了一种微氧化导电炭黑担载纳米金属铋催化剂及其应用，具有电催化合成氨性能。首次发现碱金属离子可以作为助催化剂引入到电催化合成氨反应体系中，提高了金属铋催化剂在电催化合成氨反应中的选择性和活性。CN112121827A公开了一种高效电催化合成氨FeSe₂/MoSe₂纳米片及其制备方法和应用。该催化剂具有较大的表面积/体积比因而具有不同于体材料的优异性能。然而，现有的方法均需要复杂的处理过程。

由于Bi析氢性能较差且在光催化氮还原中有着广泛应用，加上MoS₂的性能稳定，能作为稳定的基底且已被证实有NRR活性，二者的协同作用能够促进 NRR的发展。关于二硫化钼和铋的复合材料也有专利文件报道，例如： CN110247038A公开了一种双组分金属硫化物/石墨烯复合纳米材料及其制备方法，该复合材料是由Bi₂S₃纳米粒子和MoS₂纳米片复合，并均匀地负载在石墨烯上所构成。CN106311283A公开了一种p-n异质结BiVO₄/MoS₂复合光催化剂的制备方法。然而，上述复合材料主要用于锂离子电池或者光催化领域，对于电催化合成氨未见报道。

发明内容