[发明专利]析氢反应催化剂用于电催化硝酸根还原合成氨的方法

说明书

本发明公开了一种析氢反应催化剂用于电催化硝酸根还原合成氨的方法，包括以下步骤：(ⅰ)析氢反应催化剂的制备；(ⅱ)配制电解质溶液；(ⅲ)电催化硝酸根还原制氨。本发明利用析氢反应实现硝酸根还原制氨性能的提升，通过调控传统的制氢催化剂的结构组成及电解液的成分，将析氢反应产生的氢中间体原位利用，促进硝酸根迅速加氢，实现制氨法拉第效率和产率的提升。本发明具有广泛的可行性，适用于处理各种浓度硝酸盐废水，为后续扩大化制备以及工业化应用提供了条件，在污水处理、电催化制氨等方面具有重要应用价值。

技术领域

本发明属于资源与环境技术领域，具体涉及一种析氢反应催化剂用于电催化硝酸根还原合成氨的方法。

背景技术

近年来，随着社会的发展，人类对以氨为代表的含氮工业品需求量正逐年增长。然而传统的哈柏法制氨手段能耗高、反应物危险、不环保，亟需开发更为清洁高效的替代方案。另一方面，由于硝酸根是有氧环境下最为稳定的含氮化合物，因此被排放进环境中的大量含氮废物便以硝酸盐的形式累积下来，造成严重的硝酸根污染问题。在发展与环保的双重要求下，电化学还原硝酸根制备氨的工艺由于能够清洁快速地直接将硝酸根转化回更有价值的氨，成为了一种被给予厚望的新技术。

然而，在电催化硝酸根还原制氨的反应过程中涉及多种副反应，其中以析氢反应影响最为严重，其本质在于析氢反应产生的氢自由基中间体与硝酸根反应物在催化剂表面上的竞争吸附。因此传统的硝酸根还原催化剂在设计时着重对析氢反应进行抑制，通常选用析氢性能不佳的材料(如铜基催化剂)以保证反应的选择性。然而由于析氢反应的中间体氢自由基也是硝酸根还原的氢源，因此抑制析氢在一定程度上会影响硝酸根还原的速率，造成其产氨效率低下。如何在保证法拉第效率的前提下提高硝酸根还原制氨的产率依旧是一项重大挑战。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种析氢反应催化剂用于电催化硝酸根还原合成氨的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种析氢反应催化剂用于电催化硝酸根还原合成氨的方法，包括以下步骤：

(ⅰ)析氢反应催化剂的制备

通过内源或外源手段将高析氢活性组分固定在导电基底上；

(ⅱ)配制电解质溶液

配制含有高浓度硝酸根的电解质溶液；

(ⅲ)电催化硝酸根还原制氨

在步骤(ⅱ)配制的电解质溶液中，使用步骤(ⅰ)制备的析氢反应催化剂作为工作电极组成电极体系，在由离子交换膜分隔的反应器中进行硝酸根还原制氨。

在上述技术方案中，所述内源或外源手段为原位生长、原位沉积、相变、外源负载、物理混合、滴涂或浇注中的任意一种或几种的组合。

在上述技术方案中，所述高析氢活性组分为过渡金属、过渡金属氧化物、硫化物、磷化物、硒化物、氮化物或贵金属中的任意一种或几种的混合物。

在上述技术方案中，所述导电基底为宏观基底或者微观基底。

在上述技术方案中，所述宏观基底为碳纤维布、碳纸、泡沫铜、铜片、铜网、泡沫镍、镍片、不锈钢网、FTO(Fluorine doped tin dioxide；氟掺杂二氧化锡导电玻璃)、ITO(Indium tin oxides glass；氧化铟锡导电膜玻璃)、透明导电布或钛片中的任意一种或几种的组合；所述微观基底为碳纳米微球、碳纳米微球阵列、碳纳米微片、碳纳米微片阵列、碳纳米微棒、碳纳米微棒阵列、碳纳米微线、碳纳米微线阵列、过渡金属纳米片、过渡金属纳米片阵列、过渡金属纳米棒、过渡金属纳米棒阵列、过渡金属纳米线、过渡金属纳米线阵列、过渡金属氧化物纳米片、过渡金属氧化物纳米片阵列、过渡金属氧化物纳米棒、过渡金属氧化物纳米棒阵列、过渡金属氧化物纳米线或过渡金属氧化物纳米线阵列中的任意一种或几种的组合。