一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置及方法，首先利用太阳能驱动射流等离子体将空气转化为NO

【技术实现步骤摘要】
一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置及方法


[0001]本专利技术涉及合成氨领域，尤其涉及一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置及方法。

技术介绍

[0002]当今社会，随着工业发展和人口增长所带来的环境污染，发展一种绿色环保的可再生能源成为全球关注的焦点。氨气，作为氢能的一种优良储存载体，同时又作为农业生产的一种重要氮肥原料，在农业与储能领域都具有广泛的应用，而如何高效制备出清洁环保的氨气成为了能源和环境领域的重大课题。当前，工业应用的制氨法仍为发展于上世纪的哈柏法，该方法在百余年来持续为人类社会提供所需的氨气资源，然而，该方法不仅反应条件苛刻、消耗大量能源，同时还年排放出近3亿吨的二氧化碳；其生产过程中产生的大量高氮氨的废水更是对环境造成极大污染。因此，在能源环境问题日益突出的现在，发展一种可替代哈柏法的清洁高效的制氨手段迫在眉睫。
[0003]当前，众多实验研究通过电催化法直接将氮气转化为氨气，实验条件温和，方法简洁环保，不存在有害污染物的排放。然而，由于电催化法过分依赖催化剂的性能，无法有效地断裂结构稳定的氮氮三键(N≡N,948kJ/mol)，因此存在处理能力差、产率低下的问题，无法满足人类对于氨气的需求；基于此，本专利技术将处理能力强的等离子体与电催化相耦合，以来源丰富的空气作为原料，同样可实现N2到NH3的转化。利用等离子体的强处理能力，既保证了氮氮三键的有效断裂，又可以做到高效无污染地合成氨，同时等离子体能很好地与太阳能、风能等可再生能源相结合，可为今后替代哈柏法提供实验基础。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于进一步优化完善等离子体与电催化耦合的实验体系，将太阳能驱动的等离子体放电与电催化过程以及相应的尾气再循环系统整合为一体化集成装置，实现了从空气中的N2到电解液中NH3的实时转化，并通过多个H型电解池串联实现多级催化，同时制备出具有高催化活性的氮磷掺杂二硫化钼电催化剂，最终实现等离子体耦合多级氮磷掺杂二硫化钼电催化一体化高效合成氨。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置，该装置包括多进气口射流等离子体反应器、基于氮磷掺杂二硫化钼电催化剂的多级电催化系统以及尾气再循环系统；
[0006]所述多进气口射流等离子体反应器包含两种进气口，其中一种进气口为空气进气口，与空气压缩机连接，另一种进气口为气体循环进气口，与循环气泵连接，用于气体循环；所述多进气口射流等离子体反应器将空气中的N2和O2转化为NO
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，反应器出口通过不锈钢法兰和石英罩来与气管连接，并将NO
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输入至储气罐中；
[0007]所述多级电催化系统包括电化学工作站和H型电解池；多个H型电解池串联在一
起，将上一级H型电解池阴极反应室的出气口与下一级H型电解池阴极反应室的进气口相连，且每个H型电解池均连接一台电化学工作站，实现NO
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到NH3的转化；第一级的H型电解池与储气罐连接；最后一级的H型电解池与循环气泵连接；
[0008]所述H型电解池的工作电极采用氮磷掺杂二硫化钼电催化剂，所述氮磷掺杂二硫化钼电催化剂制备过程为：首先依次通过等离子体增强气相沉积、水热法，磷化法得到磷掺杂的二硫化钼，最后将磷掺杂的二硫化钼进行氨气等离子体掺杂得到氮磷掺杂二硫化钼电催化剂，所述等离子体掺杂过程如下：
[0009]将磷化后的二硫化钼催化剂置于管式炉中，抽至负压并加热，通入氨气后，通过电感耦合等离子体放电，放电过程中由于氨气氛围下对催化剂表面的刻蚀作用明显，且产生的含N自由基具有高活性，可取代二硫化钼中的S原子实现N原子掺杂，得到氮磷掺杂二硫化钼电催化剂；
[0010]所述尾气再循环系统包括第一质量流量计、压力表、调压阀、储气罐、通气阀、第二质量流量计和循环气泵；所述第一质量流量计安装在反应器的空气进气口处，控制进气流量；等离子体放电气体经第二质量流量计与调压阀调节后通入储气罐中，随后流经各级H型电解池后通过循环气泵重新流回多进气口射流等离子体反应器；所述尾气再循环系统使含有未参与反应的N2、O2以及以NO为主的NO
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的尾气重新参与放电，经等离子体再次处理后的气体更易转化为水溶性NO
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，提高气体转化率。
[0011]进一步地，该装置还包括太阳能供电系统，所述太阳能供电系统包括太阳能板、蓄电池和变压器；所述太阳能板与蓄电池连接，所述蓄电池通过变压器给多进气口射流等离子体反应器供电。
[0012]进一步地，所述多进气口射流等离子体反应器进气口为多个均匀分布的切向进气口，在反应器内部形成旋转气流，增大气体在反应器气腔内的扰动，增强放电效果和等离子体区域，提高气体处理效率。
[0013]进一步地，由于放电气体含有大量的NO，该气体在含氧环境下易氧化为NO2，通过储气罐静置和缓冲放电气体，使放电气体中水溶性NO
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含量增加，更多地将NO
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固定在溶液中。
[0014]进一步地，所述氮磷掺杂二硫化钼电催化剂制备方法包括以下步骤：
[0015](1)裁剪适当大小的炭布置于石英管中并抽至负压，然后将甲烷、氢气、氩气按照一定比例通入石英管内，加热后，开启冷却水，经电感耦合等离子体放电一段时间后，即可在炭布上形成均匀分布的石墨烯，记作VG/CC；
[0016](2)将1.2g钼酸钠、1.56g硫代乙酰胺与60ml去离子水混合均匀，然后移入反应釜中，将所得VG/CC置于混合溶液中，在烘箱内200℃下水热12小时，得到生长在垂直石墨烯上的二硫化钼纳米结构，记作MoS2/VG/CC；
[0017](3)将所制得的MoS2/VG/CC与1g次亚磷酸钠分别置于石英舟两端后放入石英管中，其中MoS2/VG/CC位于下风向，次亚磷酸钠位于上风向，抽至负压，并在300℃下维持一小时，反应结束后得到磷掺杂的二硫化钼催化剂；
[0018](4)将磷掺杂的二硫化钼催化剂置于管式炉中并抽至负压，通入氨气后加热，经电感耦合等离子体放电后得到氮磷掺杂的二硫化钼纳米催化剂，记作N,P
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MoS2/VG/CC。
[0019]本专利技术还提供了一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨方法，该方法
为气体放电与电催化过程同步进行的多级催化运行模式，包括以下步骤：
[0020](1)将多进气口射流等离子体反应器连接电源，两种进气口分别与空气压缩机以及循环气泵连接，开启空气压缩机，向多进气口射流等离子体反应器通入空气并由第一质量流量计控制进气流量；
[0021](2)打开等离子体电源，调节输入多进气口射流等离子体反应器两端的功率，实现等离子体的稳定放电，将空气中的N2和O2转化为NO
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，输入至储气罐中；
[0022](3)储气罐的出气口和第一级H型电解池进气口连接，同时将上一级H型电解池的出气口通过气管与下一级H型电解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置，其特征在于，该装置包括多进气口射流等离子体反应器(6)、基于氮磷掺杂二硫化钼电催化剂的多级电催化系统以及尾气再循环系统；所述多进气口射流等离子体反应器(6)包含两种进气口，其中一种进气口为空气进气口，与空气压缩机(4)连接，另一种进气口为气体循环进气口，与循环气泵(22)连接，用于气体循环；所述多进气口射流等离子体反应器(6)将空气中的N2和O2转化为NO
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，输入至储气罐(11)中；所述多级电催化系统包括电化学工作站(14)和H型电解池(16)；多个H型电解池(16)有效串联匹配，将上一级H型电解池(16)阴极反应室的出气口与下一级H型电解池(16)阴极反应室的进气口相连，且每个H型电解池(16)均连接电化学工作站(14)，实现NO
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到NH3的转化；第一级H型电解池(16)与储气罐(11)连接；最后一级H型电解池(16)与循环气泵(22)连接；所述H型电解池(16)的工作电极采用氮磷掺杂二硫化钼电催化剂(18)，所述氮磷掺杂二硫化钼电催化剂(18)制备过程为：首先依次通过等离子体增强气相沉积、水热法，磷化法得到磷掺杂的二硫化钼，最后将磷掺杂的二硫化钼进行氨气等离子体掺杂得到氮磷掺杂二硫化钼电催化剂，所述等离子体掺杂过程如下：将磷化后的二硫化钼催化剂置于管式炉中，抽至负压并加热，通入氨气后，通过电感耦合等离子体放电，产生的含N自由基取代二硫化钼中的S原子实现N原子掺杂，得到氮磷掺杂二硫化钼电催化剂(18)；所述尾气再循环系统包括第一质量流量计(5)、调压阀(10)、储气罐(11)、第二质量流量计(13)和循环气泵(22)；所述第一质量流量计(5)安装在反应器的空气进气口处，控制进气流量；等离子体放电气体经第二质量流量计(13)与调压阀(10)调节后通入储气罐(11)中，随后流经各级H型电解池(16)后通过循环气泵(22)重新流回多进气口射流等离子体反应器(6)；所述尾气再循环系统使含有未参与反应的N2、O2以及以NO为主的NO
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的尾气重新参与放电，经等离子体再次处理后的气体更易转化为水溶性NO
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，提高气体转化率。2.根据权利要求1所述的一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置，其特征在于，该装置还包括太阳能供电系统，所述太阳能供电系统包括太阳能板(1)、蓄电池(2)和变压器(3)；所述太阳能板(1)与蓄电池(2)连接，所述蓄电池(2)通过变压器(3)给多进气口射流等离子体反应器(6)供电。3.根据权利要求1所述的一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置，其特征在于，所述多进气口射流等离子体反应器(6)进气口为多个均匀分布的切向进气口，在反应器内部形成旋转气流，增大气体在反应器气腔内的扰动和等离子体放电面积，增强放电效果，提高气体处理效率。4.根据权利要求1所述的一种射流等离子体耦合多级电催化的一体化合成氨装置，其特征在于，通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓东，张浩，郑佳庚，吴昂键，万洁颖，林晓青，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：