用于ENRR的电催化材料B-VS2的制备方法技术

用于ENRR的电催化材料B

【技术实现步骤摘要】
用于ENRR的电催化材料B
‑
VS2的制备方法


[0001]本专利技术属于电催化还原氮气制氨领域，具体公开了用于ENRR的电催化材料B
‑
VS2的制备方法。

技术介绍

[0002]现代社会中氨是一种重要的工业原料，广泛应用于化工业、塑料制造，炸药以及染料等行业。Haber
‑
Bosch方法在全球合成氨中起着主导作用，但其过程在高温高压条件下进行，且伴随着高能耗和CO2排放的问题。在各种策略中，电化学氮还原反应(ENRR)由于其绿色性质且易于大规模设置而被认为是一种有前途的方法。然而，由于其非常低的生产率，其实际应用受到极大限制，这非常依赖于所用的电催化剂。因此，寻找具有高催化性能的新型电子催化剂对ENRR至关重要。
[0003]性能优异的电催化剂往往需要以下特质：好的传质能力和导电性、一定的机械强度、良好的催化稳定性。在传统的VS2电催化氮还原反应中，作为反应活性中心的V
4+
会被还原成V
2+
而失活，表现出差的催化稳定性。为了解决这一问题，设计硼掺杂的二硫化钒B
‑
VS2作为催化剂，硼的引入保护V
4+
活性中心,在ENRR中表现出优异的稳定性能。

技术实现思路

[0004]针对现有催化剂存在的稳定性能差的问题，本专利技术旨在制备一种能够稳定催化剂活性中心的掺杂型催化剂B
‑
VS2的方法，能够在较长的时间内稳定催化性能，进而提升氨产率。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种用于电催化还原氮气的硼掺杂二硫化钒B
‑
VS2材料及其制备方法，包括前驱体机械混合，前驱体溶液微波水热，水热得到的固体抽滤洗涤真空干燥得到B
‑
VS2。所述前驱体溶液由偏钒酸铵NH4VO3、硫代乙酰胺、硼酸和超纯水组成。
[0006]进一步的，所述偏钒酸铵、硫代乙酰胺、硼酸的摩尔比为5:15:0.5
‑
1；每5mmol偏钒酸铵对应30
‑
50mL超纯水。
[0007]进一步的，所述机械混合是通过磁力搅拌实现的，具体搅拌时间为1h。
[0008]进一步的，所述微波水热的具体过程为：10min从室温加热到120℃，并在此温度下保温8min；然后10min加热到150℃，并在此温度下保温8min；然后10min加热到180℃，并在此问下保温120min；最后自然冷却至室温。进一步的，所述抽滤洗涤用到的溶剂分别为超纯水和无水乙醇，洗涤次数均为3次。
[0009]进一步的，所述真空干燥的具体条件为：
‑
30MPa、60℃和12h。
[0010]本专利技术以偏钒酸铵作为钒源、硫代乙酰胺作为硫源和硼酸作为硼源水热得到了B
‑
VS2，通过硼的掺杂稳定V
4+
活性中心，进而稳定ENRR的催化性能。
[0011]本专利技术在保证制得的材料具有一定催化活性的同时，稳定了催化性能、延长了催化反应发生的时间且得到的材料微观形貌统一，尺寸分布集中。上述特征有助于ENRR过程
的深入研究。
附图说明
[0012]图1为本专利技术用于ENRR的电催化材料B
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VS2的微观形貌示意图；
[0013]图2为本专利技术用于ENRR的电催化材料B
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VS2的X射线光电子能谱示意图；
[0014]图3为本专利技术用于ENRR的电催化材料B
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VS2的线性扫描伏安示意图；
[0015]图4为本专利技术用于ENRR的电催化材料B
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VS2的计时安培示意图；
[0016]图5为本专利技术用于ENRR的电催化材料B
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VS2还原氮气制氨的电解装置示意图；
[0017]图6为本专利技术用于ENRR的电催化材料B
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VS2与VS2的稳定性测试氨产率对比示意图；
[0018]图7为本专利技术用于ENRR的电催化材料B
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VS2与VS2的稳定性测试法拉第效率对比示意图。
具体实施方式
[0019]下面通过具体实施方式进一步详细说明，但本专利技术并不限于以下实施例。
[0020]结合图1所示，一种用于ENRR的电催化材料B
‑
VS2，该材料主要由粒径为1μm左右的微米球组成。
[0021]制备方法：将5mmol偏钒酸铵、15mmol硫代乙酰胺、0.75mmol硼酸和40mL超纯水混合，磁力搅拌1h得到浅绿色浑浊液体。上述液体转移至微波反应釜中，按照以下过程进行微波水热合成：10min从室温加热到120℃，并在此温度下保温8min；然后10min加热到150℃，并在此温度下保温8min；然后10min加热到180℃，并在此问下保温120min；最后自然冷却至室温。
[0022]降至室温后，所得黑色液体真空抽滤，分别用超纯水和无水乙醇洗涤3次，最后真空干燥12h，得到黑色固体。
[0023]本实施例中，利用扫描电镜和透射电镜对电极进行了微观形貌表征及分析，图1中可以看出材料主要以1μm的微米小球组成。
[0024]图2是本专利技术材材料B
‑
VS2的X射线光电子能谱示意图。从图2中可以出看按照上述方法得到的B
‑
VS2中硼元素成功掺杂。
[0025]图3是本专利技术材料的线性扫描伏安示意图；具体实验参数为：起始电位为0V；终止电位为
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1.8V；扫描速率为0.05V/s；取点间隔为0.001V；灵敏度为0.1A/V；不同气氛是以30mL/min的气体流速连续向电解池中通气30min实现的。从图3中可以看出在氮气气氛下，材料的电流明显大于氩气气氛下，初步证明材料具有一定的电催化固氮性能。
[0026]图4是本专利技术材料的计时安培示意图；具体参数为：电位设置分别为
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0.1、
‑
0.2、
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0.3、
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0.4、
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0.5、
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0.6V vs.RHE；取点间隔为0.05s；运行时间为7200s；灵敏度为0.1A/V。从图4中可以看出，在不同电位下，其对应的电流都在很小的范围内波动，证明材料具有一定的催化稳定性。
[0027]图5是本专利技术材料的电解装置示意图；具体参数为：1M的HCl电解液进行N2净化30min后，再进行N2还原实验。在N2饱和1M的HCl溶液中进行了N2电化学还原。在控制电位电解20分钟之后，收集阴极池中的电解液进行显色，用紫外分光光度计测其吸光度，计算其氨产率和法拉第效率(FE)。其计算公式为：
[0028]NH3的生成速率计算公式如下:
[0029][0030]为产氨量，单位为C为电解液中NH3的浓度，单位为μg mL
‑1；V为电解液体积，单位为mL；t为电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电催化还原氮气的硼掺杂二硫化钒B
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VS2材料的制备方法，其特征在于，包括前驱体机械混合，前驱体溶液微波水热，水热得到的固体抽滤洗涤真空干燥得到B
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VS2；所述前驱体溶液由偏钒酸铵NH4VO3、硫代乙酰胺、硼酸和超纯水组成。2.按照权利要求1所述的一种用于电催化还原氮气的硼掺杂二硫化钒B
‑
VS2材料的制备方法，其特征在于，所述偏钒酸铵、硫代乙酰胺、硼酸的摩尔比为5:15:0.5
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1。3.按照权利要求1所述的一种用于电催化还原氮气的硼掺杂二硫化钒B
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VS2材料的制备方法，其特征在于，每5mmol偏钒酸铵对应30
‑
50mL超纯水。4.按照权利要求1所述的一种用于电催化还原氮气的硼掺杂二硫化钒B
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VS2材料的制备方法，其特征在于，所述微波水热的具体过程为：10min从室温加热到...

【专利技术属性】
技术研发人员：严乙铭，迟新月，赵瑞，王晓璇，熊媛媛，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：