[发明专利]一种高性能Ru基合成氨催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于催化剂材料制备领域，具体涉及一种高性能Ru基合成氨催化剂的设计制备及应用。本发明通过合成BN载体，再合成Ru/BN催化剂，然后通过等体积浸渍的方法，将稀土元素负载于Ru/BN催化剂上，最终得到RuM/BN催化剂。并应用于温和条件下氨合成催化领域，其催化性能在400℃和1 MPa下，达到了43.8 mmol g^‑1 h^‑1，且该类催化剂具有极高的热稳定性，本发明专利提供的催化剂制备方法简单，机械强度较大，因此在氨合成反应中表现出良好的工业应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂材料制备技术领域，具体涉及一种高性能Ru基合成氨催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氨(NH₃)是关系国计民生的基础原料，其作为储氢介质具有显著优势：一是高能量密度：1 L液NH₃ = 4.5 L高压氢(35.0 MPa)= 1200 L常温常压H₂；二是易液化储运：NH₃加压至1.0 MPa即可以液态形式储运，一辆液氨槽罐车载NH₃量可达30吨(约含5.29吨氢)，载氢量较长管拖车运氢(载氢量约400 kg)提高约13倍；三是无碳储能：“氨-氢”储能可实现无季节性、远距离、“无碳化”储能；四是安全性高：NH₃不易燃，其刺激性气味是可靠警报信号。因此，发展以NH₃为储氢介质有望解决高压储运氢和安全性弱的难题。

众所周知，合成氨已有百年发展史，以化石能源为原料的NH₃的生产、储运及使用已形成了完备的产业链、标准及安全规范。同时，我国是可再生能源装机容量最大的国家，但因光伏、风电和水电等可再生能源存在间歇性、波动性和季节性等缺点，导致存在大量“弃风、弃光和弃水”现象。据国家能源局统计，我国年“三弃”电量高达约1020亿千瓦时，尤其主要集中在西北、华北、西南等地区。若开发可再生能源电解水制氢耦合合成氨技术，不仅可实现可再生能源电力的“消纳和调峰”，而且可实现低成本、跨地域长距离存储运输，并可将NH₃与氢能产业相结合。然而，可再生能源电力存在间歇性、波动性和季节性等特点，传统合成氨催化剂及其配套技术因遵循吸附解离机理需高温高压反应条件，可再生能源电力电解制氢过程难以与现行高温高压合成氨过程相匹配，亟需发展合成氨反应新路径，创制新型高效合成氨催化剂，实现可再生能源电解制氢耦合温和条件下高效合成氨。

随着全球对可再生能源发展的日益重视，为此，针对“绿氢-绿氨”新路径的新催化材料研究成为前沿和热点。面向国家重大需求，若利用可再生能源电力电解水制氢为“氢源”，空气分离出氮气为“氮源”，开发“可再生能源电解水制氢—低温低压合成氨”新技术，贯通可再生能源、氢能和氨产业，形成一条契合我国能源结构的“清洁高效合成氨-安全低成本储运氨-无碳氨-氢利用”的零碳循环经济路线，对保障国家能源安全和社会经济可持续发展具有重要意义。

目前合成氨催化剂的载体主要有：(1)炭材料：炭材料具有较大的比表面积、导热性能和电子传导性能好以及丰富的孔结构，因此，常作为负载型催化剂的载体，并且广泛应用于多相催化反应中。但是，在合成氨催化反应中会产生甲烷化，因此许多科研工作者一直在寻找新的合成氨催化剂载体。(2)金属氧化物：金属氧化物具有机械强度大，易成型，表面具有丰富的酸碱活性位点，选择合适的金属氧化为载体是氨合成展现优异性能的关键。常用作氨合成催化剂载体的有：碱土金属氧化物、镧系氧化物、氧化铝、钙钛矿型和镁铝尖晶石型等。由于金属氧化物载体在合成氨中的应用基本上都需要高温高压，因此也限制了其在温和条件下高效合成的应用。(3)其他载体：其他载体主要有分子筛载体、六方氮化硼(BN)、金属氢化物和金属氮化物、稀土氧化物载体、电子化合物载体、MXene载体等。尤其六方氮化硼(BN)石墨相类似的晶形与电子结构，而且它具有良好的化学和热稳定性，良好的热传导性和较小的金属——载体相互作用。因此一直被认为是合成氨中潜在的载体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能Ru基合成氨催化剂及其制备方法和应用。