[发明专利]一种银掺杂铜纳米片催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种银掺杂铜纳米片催化剂的制备方法及其应用。该催化剂以碳纸为载体，通过电化学沉积法制备银掺杂铜纳米片催化剂；其中，电沉积得到的波纹状Cu纳米片为反应提供了较高的活性面积，暴露出较多的活性位点，利于电子的转移；掺杂入铜纳米片的微量Ag原子与其周围Cu原子的协同作用起到主要的催化作用，利于氮气的吸附和脱附；有机分子3,5‑二氨基‑1,2,4‑三氮唑作为表面活性剂的加入有利于控制沉积得到的催化剂形貌。本发明所得到的催化剂形貌较好，氨产率高，稳定性好，选择性强，法拉第效率可超过20％，表现出优异的催化性能。制备方法简单，成本低，有较高的重复性，为高效电化学合成氨提供了一种新的途径，具有广阔的应用前景。

技术领域：

本发明涉及一种银掺杂铜纳米片催化剂的制备方法及其作为催化剂在电催化氮还原合成氨反应中的应用。

背景技术：

化石能源被过度开采和消耗，造成了世界的能源短缺问题。同时，化石能源燃烧所造成的坏境污染和温室效应，促使人们寻找持续、清洁、可再生的能源。氨在全球年产量超过1.45亿吨，是全球经济的重要组成部分。同时，氨经济也是我国工业生产和国民经济发展上关键的一环。作为高效且无碳能源载体，氨在生产肥料，燃料，药品等领域起到重要的作用。此外，氨的含氢量高达17.6，易于以液体形式储存和运输，是一种有前途的氢载体，对于未来氢能源的生产和利用起到关键作用。目前工业上合成氨的主要技术是Haber-Bosch法，该方法以铁基或钌基作为催化剂，在高温(400～500℃)和高压(150～250atm)下进行。这一工艺反应条件苛刻，设备要求高，需要消耗全球约2％的能源并向大气中排放出大量温室气体。因此，开发条件温和、绿色高效、可持续的合成氨技术代替传统Haber-Bosch法具有重要意义。

电化学氮还原合成氨(NRR)是一种非常有前途的氨合成方法。它利用氮气和水作为氮源和氢源，由可再生能源电能驱动，在催化剂的作用下可以实现低耗能，无污染的氨合成。电化学合成氨阳极通过水的分解发生析氧反应，而阴极则通过氮气的加氢反应完成对氮氮三键的裂解。因此，同样发生在阴极的析氢反应(HER)则是氮还原合成氨反应的主要竞争反应。由于氮气吸附氢的能垒较低，氢更易吸附在催化剂上，阻碍了氮气的吸附，在动力学上表现为更有利于HER而不是NRR反应。为了克服这些局限性，必须控制催化剂的反应动力学，推翻传统的氢吸附，提高氮还原合成氨反应的本征活性。Yang等人(Angew.Chem,2019,131:15506-15510.)利用金与过渡金属有机框架结合，制备了纳米多孔金催化剂，具有比较好的催化活性。但金的价格较贵，并不适合用于大规模工业生产，因此需要开发性能优良，价格低廉的氮还原催化剂。

发明内容：

为了克服目前已有的氮还原催化剂催化产率不高，法拉第效率较低，竞争反应析氢反应的进行导致催化剂选择性较低等问题，本发明提供了了一种利用电沉积法进行高效电化学氮还原合成氨的银掺杂铜纳米片催化剂的制备方法及其应用。

所制得的银掺杂铜纳米片复合催化剂能够有效的抑制析氢反应的进行，提高催化剂选择性，作为电化学氮还原合成氨反应催化剂拥有较高的氨产率和法拉第效率。独特的波纹状纳米片结构相互交联，形成许多微孔，有利于电解液和电子的转移，有利于氮气的吸附和脱附。本发明还可以拓展到其它催化剂的设计，为发展高效、低成本的催化剂提供了新的思路。

为实现以上发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种银掺杂铜纳米片催化剂的制备方法，包括以下步骤：

a、将碳纤维纸裁剪成1*1规格，将碳纸分别于丙酮、去离子水和乙醇中进行清洗，去除其表面有机物及其他杂质，并将清洗干净的碳纸置于真空干燥箱中，干燥备用；