一种钌碳催化剂及其制备方法与应用

本发明涉及电化学，具体地说，涉及一种钌碳催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、氮元素是构成生命及物质世界的重要基础，在绝大多数生物分子、医药、化肥、农药中，都含有氮原子。氮气占空气成分体积比的78％以上，是最丰富、最廉价的氮源。自然界通过“氮循环”将空气中的氮气转化为含氮化合物为人类提供生活基础，但这一自然过程已无法满足现代人类社会对含氮化合物的快速合成需求。氨(nh3)作为世界上最重要的含氮化学品，需求量巨大，但它们的生产原料98％来自化石燃料，是重要的二氧化碳排放“大户”。目前氨制造主要来源于传统的haber-bosch工艺，其利用氮气和氢气在高温高压下反应得到氨气(n2+3h2→2nh3,～700k；～100atm)，需要耦合蒸汽重整装置以天然气为原料来生产氢气，由此每生产一吨氨会产生约1.9吨二氧化碳。如果持续依赖于当前的制造工艺，由氨和制造所产生的co2产量将持续增加，与目前的环保需求不符。这促使人们强烈需要可持续的方法合成氨。

2、电化学氮还原(nrr)合成氨被公认为是一种极具潜力的haber-bosch工艺的可持续替代技术。将氮气电催化还原以合成氨的过程涉及多步电子和质子转移，以及多个化学键的形成和断裂，这些复杂性导致了较大的动力学障碍，使得这一反应的效率较低。此外，氮气在水溶液中的溶解度有限，扩散系数较低，进一步阻碍了其在催化剂表面的吸附和活化。这导致质子还原反应的速率高于氮气还原反应，使得氮气还原的法拉第效率较低。改进电化学氮还原合成氨的一个主要挑战在于其反应路径和反应活性对催化剂活性位点的特性以及电极/电解质界面的非催化剂成分(局部反应环境)非常敏感。即使在催化剂-反应环境界面进行微小的改变，也会显著影响整体的催化性能。然而，先前的研究通常将催化剂和反应环境视为两个独立的系统，尽管它们在整个电化学反应过程中存在着动态相互作用。例如，大多数工作只通过设计催化剂的形态、化学状态和组成来改善nrr的性能。迄今为止，对上述催化剂-反应环境之间相互作用的全面设计尚未出现，因此有待对nrr方法进行进一步研究。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种钌碳催化剂(ru/c催化剂)及其制备方法，将本发明的ru/c催化剂用于电催化合成氨时，法拉第效率高、生产速率高。

2、为了实现该目的，本发明的技术方案如下：

3、一种制备钌碳催化剂的方法，其包括：

4、(1)将钌前驱体盐和炭黑与含有聚乙二醇辛基苯基醚的多元醇溶剂混合，获得混合液；所述钌前驱体盐和炭黑的摩尔比为(1-2)：(10-20)；

5、(2)将所述混合液与还原剂充分混合，进行反应，所述反应的温度为120-150℃，时间为4-8小时，优选反应的温度为130℃，时间为5小时。

6、面对现有催化剂法拉第效率低的问题，本领域技术人员利用适当的策略来改变催化剂材料的表面特性并优化反应物的吸附行为。掺杂，表面修饰等工程因可以增加活性位点，诱导电子重分布，改善化学反应动力学等优势被采用，但表面改性催化剂对nrr选择性的提升仍需进一步加强。

7、本发明采用了电子缺陷效应策略，通过ru/c催化剂制备方法的改进，使所得催化剂通过此效应实现ru和c界面的电子重分布，在ru颗粒表面创建电子缺陷，显著增强了对氮气吸附和极化的同步增强，能极大的推动氮气还原反应。

8、本发明方法制备的催化剂，其上负载的钌纳米颗粒具有小颗粒直径，分布均匀和高负载量等优点。

9、本发明中，聚乙二醇辛基苯基醚的分子量为646.86。

10、本发明通过添加聚乙二醇辛基苯基醚(曲拉通x-100)促进了炭黑的分散，结合制备条件的控制，获得了分布更均匀的具有电子耗尽效应的钌纳米颗粒。

11、本发明的方法中，所述钌前驱体盐为三氯化钌；所述多元醇为乙二醇；所述还原剂为硼氢化钠。

12、本发明的方法中，所述钌前驱体盐的摩尔数与所述多元醇的体积比为1：(100-300)mmol/ml；所述钌前驱体盐的摩尔数与所述聚乙二醇辛基苯基醚的体积比为1：(0.5-1.5)mmol/ml；所述钌前驱体盐与还原剂的摩尔比为1：(0.002-0.008)，优选为1：(0.003-0.006)。

13、本发明的方法步骤(2)中，所述混合液与还原剂充分混合的方式为：

14、先采用所述还原剂的溶液与所述混合液初步混合，之后进行超声处理至完全混合；优选所述还原剂的溶液的浓度为0.8-1.2mol/l，更优选为1mol/l；

15、和/或，步骤(2)中的反应在油浴中进行。

16、本发明的方法在步骤(2)的反应完成后，还包括冷却、洗涤和干燥的步骤；

17、优选，所述洗涤采用乙醇和水交替进行；所述干燥的方法为30-60℃真空干燥10-16小时，更优选为45℃真空干燥12小时。

18、本发明方法中反应后，反应物自然冷却至室温，经洗涤离心、干燥即可得到ru/c催化剂，制备简便。

19、本发明还提供一种钌碳催化剂，其由上述方法制备得到，优选，所述钌碳催化剂中的钌颗粒的直径为2-5nm，更优选，所述钌碳催化剂中的钌颗粒的直径为2.01nm。

20、本发明的ru/c催化剂由炭黑载体和负载在所述炭黑载体上的具有电子耗尽效应的钌纳米颗粒组成。

21、本发明通过ru/c催化剂制备方法的改进，获得了具有电子耗尽效应的ru/c催化剂，其通过有效的电子重分布实现了对氮气增强的吸附和极化作用。

22、本发明催化剂中，钌占ru/c催化剂质量百分比10-38wt％；催化剂在使用时，于碳布上的负载量为0.2-3mg cm-2，优选为2mg cm-2。

23、本发明还提供一种电催化装置，其包括上述钌碳催化剂。

24、优选，本发明电催化装置具有h型电解槽结构，其中左右两侧为装有电解液的阴、阳两极室，中间由nafion膜隔开。上述钌碳催化剂沉积在碳布上作为阴极使用。

25、本发明另提供一种上述钌碳催化剂或电催化装置在电化学催化反应中的应用。

26、本发明再提供一种电催化氮还原合成氨的方法，在电催化装置中进行，其采用上述钌碳催化剂作为电催化装置的阴极。

27、所述电催化装置中的气氛为氢氮混合气，所述氢氮混合气中氢气和氮气的体积比为1:9；

28、和/或，所述电催化装置中的压强为1-40atm。

29、本发明ru/c催化剂作为电解池的阴极，在氢氮混合气高压环境下，可实现卓越的氨生产速率和法拉第效率。

30、系统构建的特定氢氮混合气高压环境在提高氮气溶解度和传输系数的同时，可以强有效的抑制竞争析氢反应，实现对动力学和热力学之间协同作用的调控，从而极大的推动了氮气还原反应，提高催化剂的合成氨活性和选择性，实现nrr法拉第效率的提高。

31、本发明电催化氮还原合成氨的方法包括以下步骤：

32、(1)按照0.2-3mg cm-2的负载量，将钌碳催化剂沉积在碳布上作为阴极使用；

33、(2)排除所述电催化装置内的空气后，将所述氢氮混合气通入所述电催化装置内至压强为1-40atm，停留4-8小时，直至所述氢氮混合气溶解在所述电催化装置的电解池内的电解液中；

34、(3)进行电化学反应；

35、优选，所述电解液为k2so4溶液，所述电化学反应在-0.2v vs.rhe下进行。

36、本发明电催化氮还原合成氨时，优选采用协同策略，同时调控催化剂和反应环境，实现从微观结构到宏观系统的电催化界面的整体优化，从而更好地改进了电催化氮还原合成氨的性能。

37、优选，k2so4溶液的浓度为0.1-1.0m，更优选为0.5m。

38、作为一个具体实施方式，本发明电催化氮还原合成氨的方法包括以下步骤：

39、将0.2-3mg ru/c催化剂沉积在1×1cm2碳布上作为阴极使用；在电解池中先通入流量为20-30sccm的氮气以排除装置内的空气；在电解池中持续通入氢氮混合气直至压强为1-40atm；停留5-8小时，直至氢氮混合气溶解在电解液中；进行电化学反应。

40、本发明电催化氮还原合成氨方法中，催化剂的氨根生产速率可达45.15ug h-1cm-2，法拉第效率可达40.29％。

41、本发明的有益效果至少在于：

42、本发明的ru/c催化剂的制备方法成本低廉、操作简单、对环境友好。制备得到的ru/c催化剂具有电子耗尽效应，能通过有效的电子重分布实现对氮气的强吸附和极化作用，且长期稳定性佳，能够被多次重复利用。

43、进一步在电催化氮还原合成氨时，优选结合特定气氛环境，实现对动力学和热力学之间协同作用的优化，在有效提高nrr性能的同时抑制了her活性，极大地推动氮气还原反应，提高催化剂的合成氨活性和选择性。