一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂制造技术

氨越来越被公认为是未来人类使用的一种重要的可持续燃料。工业中常用Haber

【技术实现步骤摘要】
一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂


[0001]本专利技术涉及一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，具体涉及一种水热合成FeLa2S4纳米花催化剂的方法及其在电催化氮还原领域的应用。

技术介绍

[0002]氨越来越被公认为是未来人类使用的一种重要的可持续燃料。目前，大部分氨用于农业、化工、医药业。工业中常使用Haber-Bosch制氨，其过程在高温高压铁基催化剂下氢气与氮气合成氨，但是需要消耗大量的能源，并且产生巨大的污染。因此需要开发常温常压下高效电催化氮还原的新工艺。比较其他工艺，电催化氮还原的制备原料广、耗能低和环境友好。在这种情况下，迫切需要开发应用于电催化氮还原的新型催化剂。
[0003]电催化氮还原被认为是一种简单且可再生的方法。然而要断裂氮气三键需要巨大的能量以及电催化氮还原反应存在析氢反应，因此需要高效的催化剂。这种催化剂不仅能高效地实现电催化氮还原反应，而且还能有效地抑制析氢反应。铁元素是生物固氮和工业固氮，催化剂的核心元素。镧作为稀土材料，是优良的电催化氮还原材料，它不仅具有极高的将氮还原的能力，同时还能抑制析氢反应。考虑到纳米材料的性能以及硫化物具有的优良化学性质，我们开发一种FeLa2S4纳米花催化剂可以实现极高的电催化氮气还原性能。它在硫酸钠电解液下，能够实现153.6 μg h
−
1 mg
−1的氨产率和23.5%的法拉第效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的问题在于提供一种能够应用于电催化的高效绿色的新型铁镧基纳米花催化剂。为解决上述问题本专利技术的技术方案为：1．一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，制备步骤如下：（1）将铁源、镧源以及硫源溶液分别进行超声混合，然后将铁源和镧源超声搅拌均匀，最后在搅拌的过程中加入硫源，得到含铁、镧、硫混合液。将含铁、镧、硫混合液和处理好的碳布转移到反应釜中并放入烘箱，水热处理后，取出碳布并常温干燥，最终在碳布上得到含铁、镧、硫前驱体。
[0005]（2）将碳布及碳布上得到含铁、镧、硫前驱体放入管式炉中，加热管式炉之前，通入氩气0.5 h。然后，在恒定的氩气流速下对碳布及碳布上得到含铁、镧、硫前驱体进行热处理，之后将炉冷却至室温，在碳布上得到FeLa2S4纳米花催化剂。
[0006]（3）将碳布及碳布上得到FeLa2S4纳米花催化剂使用H型电解槽下进行测试，在电化学工作站上电催化氮还原测试，其中由Nafion 117膜分隔的H型电解槽，Ag / AgCl和石墨棒分别用作参比电极和对电极，0.1 mol/L 硫酸钠为电解液。
[0007]2.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，所述步骤(1)中，铁源试剂为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁，最优为氯化铁；反应液中铁的浓度为0.10 ~ 0.30 mol/L;最优为：0.15 ~0.20 mol/L。
[0008]3.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，所述步骤(1)中，镧源试剂为硝
酸镧，碳酸镧，氯化镧，最优为氯化镧；反应液中镧的浓度为0.20 ~ 0.60 mol/L;最优为：0.30 ~0.40 mol/L。
[0009]4.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，所述步骤(1)中，硫源试剂为硫代乙酰胺，硫代乙酸，硫代硫酸，最优为硫代乙酰胺；反应液中铁的浓度为0.30 ~ 0.90 mol/L;最优为：0.60 ~0.80 mol/L。
[0010]5.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，所述步骤(1)中，铁源、镧源、硫源的物质的量为1 ~ 2 : 2 ~ 4 : 2 ~ 6，最优物质的量为1 ~ 1.5 : 2 ~ 2.5 : 4 ~ 4.5。
[0011]6.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，所述步骤(1)中，水热温度为100 ~ 250 ℃，反应时间为5 ~ 10 h，最优为：水热温度为150 ~ 200 ℃，反应时间为4 ~8 h。
[0012]7.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，所述步骤(2)中，管式炉热处理温度为100 ~ 500 ℃，反应时间为1 ~4 h，最优为：管式炉热处理温度为350 ~ 450℃，反应时间为2 ~ 3 h。
[0013]实例1第一步：将10 mL的0.15 mol/L氯化铁、10 mL的0.3 mol/L氯化镧以及10 mL的0.6 mol/L硫代乙酰胺溶液分别进行超声混合，然后将氯化铁和氯化镧超声搅拌均匀，最后在搅拌的过程中加入硫代乙酰胺，得到含铁、镧、硫混合液。将含铁、镧、硫混合液和处理好的碳布转移到反应釜中并放入烘箱，150℃水热处理4 h，取出碳布并常温干燥，最终在碳布上得到含铁、镧、硫前驱体。
[0014]第二步：将碳布及碳布上得到含铁、镧、硫前驱体放入管式炉中，加热管式炉之前，通入氩气0.5 h。然后，在恒定的氩气流速下对碳布及碳布上得到含铁、镧、硫前驱体进行350 ℃热处理2 h，之后将炉冷却至室温，在碳布上得到FeLa2S4纳米花催化剂。
[0015]第三步：将碳布及碳布上得到FeLa2S4纳米花催化剂使用H型电解槽下进行测试，在电化学工作站上电催化氮还原测试，其中由Nafion 117膜分隔的H型电解槽，Ag / AgCl和石墨棒分别用作参比电极和对电极，0.1 mol/L 硫酸钠为电解液，通过测试循环伏安、时间电流曲线来测试NH3的产率及法拉第效率。
[0016]实例2如实例1所述，不同之处在于第一步中10 mL的0.15 mol/L氯化铁用10 mL的0.15 mol/L硝酸铁代替；在150
°
C烘箱中水热4 h用180
°
C烘箱中水热6 h代替。
[0017]实例3如实例1所述，不同之处在于第一步中10 mL的0.15 mol/L氯化铁用10 mL的0.15 mol/L硫酸铁代替；在150
°
C烘箱中水热4 h用200
°
C烘箱中水热8 h代替。
[0018]实例4如实例1所述，不同之处在于第一步中10 mL的0.30 mol/L氯化镧用10 mL的0.30 mol/L硝酸镧代替；在150
°
C烘箱中水热4 h用180
°
C烘箱中水热6 h代替。
[0019]实例5如实例1所述，不同之处在于第一步中10 mL的0.30 mol/L氯化镧用10 mL的0.30 mol/L碳酸镧代替；在150
°
C烘箱中水热4 h用180
°
C烘箱中水热6 h代替。
[0020]实例6如实例1所述，不同之处在于第一步中10 mL的0.60 mol/L硫代乙酰胺用10 mL的0.60 mol/L硫代乙酸代替；在150
°
C烘箱中水热4 h用180
°
C烘箱中水热6 h代替。
[0021]实例7如实例1所述，不同之处在于第一步中10 mL的0.60 mol/L硫代乙酰胺用10 mL的0.60本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，其特征为，制备步骤如下：（1）将铁源、镧源以及硫源溶液分别进行超声混合，然后将铁源和镧源超声搅拌均匀，最后在搅拌的过程中加入硫源，得到含铁、镧、硫混合液，将混合液和处理好的碳布转移到反应釜中并放入烘箱，水热处理后，取出碳布并常温干燥，最终在碳布上得到含铁、镧、硫前驱体；（2）将碳布及碳布上得到含铁、镧、硫前驱体放入管式炉中，加热管式炉之前，通入氩气0.5 h，然后，在恒定的氩气流速下对碳布及碳布上得到含铁、镧、硫前驱体进行热处理，之后将炉冷却至室温，在碳布上得到FeLa2S4纳米花催化剂；（3）将碳布及碳布上得到FeLa2S4纳米花催化剂使用H型电解槽下进行测试，在电化学工作站上电催化氮还原测试，其中由Nafion 117膜分隔的H型电解槽，Ag / AgCl和石墨棒分别用作参比电极和对电极，0.1 mol/L 硫酸钠为电解液。2.一种电催化氮还原的新型铁镧基纳米花催化剂，其特征为，所述步骤(1)中，铁源试剂为氯化铁、硝...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚克，王静，郭亚莉，康纪龙，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：