【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及催化，尤其涉及一种电热催化合成氨的方法。
技术介绍
1、氨具有易于液化、能量密度高、储氢量大、生产储运技术成熟和分解不产生含碳化合物等优点，可用作化肥、塑料、医药和合成纤维的原料，同时也可以作为具有潜在应用前景的氢载体。
2、工业上合成氨主要采用的是haber-bosch工艺，将氮气和氢气在过渡金属上催化转化成氨。由于热力学和动力学的限制，该过程需要在高温(350-500℃)和高压(10-30mpa)条件下进行，导致能耗很高，该过程每年消耗的能源占世界能源供应总量的1-2％，二氧化碳的排放量占全球总排放量的1.5％。目前，已经开发出铁基和钌基两代工业化合成氨催化剂。铁基催化剂虽然成本低廉，但需要在高温高压条件下才能达到较高的氨合成效率。钌基催化剂具有活性高、反应条件相对温和等优点，但价格昂贵，在低温条件下的反应活性仍有待提高。因此，迫切需要寻找一种能够在温和条件下高效合成氨的新技术。
3、与传统的haber-bosch工艺相比，电催化、等离子体催化技术可以利用电化学过程和催化过程之间的协同作用，因而有望在低温条件下实现氨的高效合成。电催化合成氨是在金属电极上进行氮气分子的阴极还原。该方法具有反应条件温和的优点，但是较低的氮气溶解度严重限制了其传质过程。此外，由于其他副反应的竞争，导致合成氨的法拉第效率难以提高、氨产率低，严重制约了其工业化发展。等离子体催化合成氨通过高能电子在气相中激发氮气分子的振动态并使之吸附在催化剂上，有效地提高了氨合成效率。但是在该过程中激发制造等离子体所需要的能量较高
技术实现思路
1、本专利技术旨在至少一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术提供了一种电热催化合成氨的方法，该方法通过施加外部电场，筛选电热催化剂并合理设计工艺参数，从而实现了在温和条件下的高效氨合成，该方法具有反应条件温和、合成效率高、能耗低、操作可行性强等优点。
2、为此，本专利技术第一方面提供了一种电热催化合成氨的方法，包括如下步骤：
3、将氮气、氢气与催化剂在通电状态下接触，反应得到氨气；
4、其中，所述催化剂包括活性组分和催化剂载体；
5、所述活性组分包括过渡金属，所述过渡金属包括钌、铁、钴或镍中的一种；
6、所述催化剂载体包括第一稀土氢化物rehx或稀土氧氢化物reh3-2yoy；
7、其中，re为稀土元素；2≤x≤3；0<y≤1。
8、本专利技术在传统催化剂床层上直接施加电场，通过施加外部电场可以改变催化剂和反应物的电子结构，加速催化剂表面的电子转移，从而促进催化反应；通过调节外部电场还可以改变反应物和中间体的吸附行为和动力学参数，影响催化剂表面上化学键的断裂与形成，从而实现对反应路径的操控。此外，本专利技术通过筛选电热催化剂、合理设计工艺参数，可以实现在温和条件下的高效氨合成。相比于传统热催化、电催化和等离子体催化，本方法具有反应条件温和、合成效率高、能耗低、操作可行性强等优点。
9、根据本专利技术的实施例，所述活性组分的含量为催化剂总质量的0.1％-20％。
10、根据本专利技术的实施例，所述氮气和氢气的体积比为(1-9):(9-1)。
11、根据本专利技术的实施例，所述反应的温度为50℃-500℃。
12、根据本专利技术的实施例，所述反应的压力为0.1mpa-30mpa。
13、根据本专利技术的实施例，所述氮气和氢气的空速为1000ml·g·cat-1·h-1-1000000ml·g·cat-1·h-1。
14、根据本专利技术的实施例，所述反应所采用的电压为0-60v，电流为0-10a，且电压和电流均不为0。
15、根据本专利技术的实施例，所述方法进一步包括以下制备所述第一稀土氢化物的步骤：
16、将稀土氢化物前驱体进行氢化反应，得到所述第一稀土氢化物；
17、其中，所述稀土氢化物前驱体包括钪、钇、镧、镨、钕、钷、钐、铕、钆中的至少一种；
18、根据本专利技术的实施例，所述氢化反应的温度为30℃-800℃。
19、根据本专利技术的实施例，所述氢化反应的压力为0.5mpa-5mpa。
20、根据本专利技术的实施例，所述氢化反应的时间为2h-12h。
21、根据本专利技术的实施例，所述方法进一步包括以下制备所述稀土氧氢化物的步骤：
22、将稀土氧化物在惰性气氛中进行一次焙烧；
23、加入第二稀土氢化物，在氢气中二次焙烧，得到所述稀土氧氢化物。
24、根据本专利技术的实施例，所述稀土氧化物包括氧化钪、氧化钇、氧化镧、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆中的至少一种。
25、根据本专利技术的实施例，所述第二稀土氢化物包括氢化钪、氢化钇、氢化镧、氢化镨、氢化钕、氢化钷、氢化钐、氢化铕、氢化钆中的至少一种。
26、根据本专利技术的实施例，所述第二稀土氢化物和稀土氧化物的摩尔比为(1-30)：1。
27、根据本专利技术的实施例，所述一次焙烧的温度为200℃-1200℃。
28、根据本专利技术的实施例，所述一次焙烧的时间为1h-20h。
29、根据本专利技术的实施例，所述二次焙烧的温度为400℃-1000℃。
30、根据本专利技术的实施例，所述二次焙烧的时间为10h-24h。
31、根据本专利技术的实施例，所述二次焙烧的压力为0.1mpa-2mpa。
32、根据本专利技术的实施例，所述方法进一步包括以下制备所述催化剂的步骤：
33、在溶剂中加入过渡金属前驱体，加入所述催化剂载体浸渍，干燥，氢气还原，得到所述催化剂；
34、其中，所述过渡金属前驱体用于提供所述活性组分。
35、根据本专利技术的实施例，所述过渡金属前驱体包括氯化物、硝酸盐、乙酰丙酮盐、羰基配合物中的至少一种。
36、根据本专利技术的实施例，所述氯化物包括三氯化钌、氯化铁、氯化钴、氯化镍中的至少一种。
37、根据本专利技术的实施例，所述硝酸盐包括亚硝酰硝酸钌、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍中的至少一种。
38、根据本专利技术的实施例，所述乙酰丙酮盐包括乙酰丙酮钌、乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴、乙酰丙酮镍中的至少一种。
39、根据本专利技术的实施例，所述羰基配合物包括十二羰基三钌、九羰基二铁、八羰基二钴、四羰基镍中的至少一种。
40、根据本专利技术的实施例，所述浸渍的温度为20℃-100℃。
41、根据本专利技术的实施例，所述浸渍的时间为0.3h-12h。
42、根据本专利技术的实施例，所述溶剂包括甲醇、乙醇或四氢呋喃中的至少一种。
43、根据本专利技术的实施例，所述干燥的温度为6本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电热催化合成氨的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性组分的含量为催化剂总质量的0.1％-20％；
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应的温度为50℃-500℃；
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下制备所述第一稀土氢化物的步骤：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下制备所述稀土氧氢化物的步骤：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二稀土氢化物和稀土氧化物的摩尔比为(1-30)：1；
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下制备所述催化剂的步骤：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述浸渍的温度为20℃-100℃；
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述干燥的温度为60℃-120℃；
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述氢气还原的温度为200℃-600℃；
【技术特征摘要】
1.一种电热催化合成氨的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性组分的含量为催化剂总质量的0.1％-20％；
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应的温度为50℃-500℃；
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下制备所述第一稀土氢化物的步骤：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下制备所述稀土氧氢化物的步骤：
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