生物质碳基底负载非贵双金属Fe/Bi-N-C电催化材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种以蚕丝生物质为碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料及其制备方法和应用，属于电催化材料制备及应用。

背景技术：

1、氨(nh3)作为一种重要的氮还原产物，已广泛应用于农业、制药、染料、炸药等领域。其高能量密度和液化能力使其成为一种有前途的无碳氢载体。传统的由氮气和氢气通过haber-bosch方法合成氨会产生巨大的温室气体排放，并且能源损耗巨大。将n2通过电化学还原为nh3是可持续发展的一种有前景的策略。不幸的是，由于n2分子的固有惰性和水溶液中的竞争性析氢反应(her)，电催化氮还原长期以来一直存在法拉第效率低和选择性差的问题。近年来，过渡金属基催化剂(tm)由于其独特的化学反应性和高的原子利用效率，在电催化还原n2中引起了人们的注意。遗憾的是，由于金属颗粒尺寸的减小会导致表面自由能增加，这使得仅具有一种单金属位点的催化剂更容易聚集，因此稳定性较差。铁是所有过渡金属中最为便宜、丰富的一种，有大规模应用的前景。自然界中存在的固氮酶可以在常温常压下实现氮气的固定，而固氮酶中就有铁的存在。近来，铁基催化剂在电催化氮气还原方向也受到了广泛关注。得益于双金属催化剂的协同效应，其相比单金属催化剂通常表现出更加优异的催化反应性能，因此双金属催化剂一直是多相催化领域的研究热点。

技术实现思路

1、本发明的目的是，借助于双金属之间的相互协同作用，设计出优于单一金属的双金属电催化材料用于电催化氮气合成氨。

2、本发明采用的技术方案是：生物质碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料，是以生物质碳为碳基底负载金属铁和金属铋制成。

3、一种生物质碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料的制备方法，包括如下步骤：

4、1)取生物质材料和zncl2溶解在fecl3·6h2o溶液中后，加入bicl3，混合均匀，得到生物质素蛋白溶液，干燥后得到含有fe、bi和zn离子的固体再生生物质素蛋白；

5、2)将步骤1)所得含有fe、bi和zn离子的固体再生生物质素蛋白，置于管式炉中，用氩气作保护气，高温碳化，自然冷却至室温，用超纯水洗涤、抽滤、干燥，得到生物质碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料。

6、优选的，所述生物质材料为天然蚕丝。

7、优选的，按摩尔比，fecl3·6h2o:bicl3＝2～4:1。

8、更优选的，按摩尔比，fecl3·6h2o:bicl3＝3:1。

9、优选的，步骤1)中，取生物质材料和zncl2在100℃下溶解在fecl3·6h2o溶液中。

10、优选的，步骤1)中，所述干燥是，将得到的生物质素蛋白溶液在130～150℃下干燥。本发明中，若将生物质素蛋白溶液在低于130℃下干燥，溶液不能完全干燥，影响后续碳化后材料的结构。

11、优选的，步骤2)中，所述高温碳化是，在800～850℃下高温碳化2～3h。本发明中，若将固体再生生物质素蛋白在高于900℃下进行碳化，材料会被完全烧毁。

12、本发明提供的生物质碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料在电催化氮气合成氨中的应用。

13、本发明的有益效果是：

14、1、本发明将制备的fe/bi-n-c电催化材料用于电催化氮气还原合成氨，由于金属原子与载体间相互作用，该催化剂具有高催化活性。在电催化氮气还原领域有很好的应用前景。

15、2、本发明制备方法简单，制备的双金属催化剂的方法具有普适性。此外，生物质基前驱体自然含量丰富而且廉价易得，利用资源丰富的生物质调控和构筑双金属电催化剂，对其将来大规模生产合成具有重要意义。

16、3、本发明制备的fe/bi-n-c双金属材料，得益于材料的金属元素的高分散度以及双金属的协同效应，所合成的fe/bi-n-c双金属材料作为催化剂的nrr活性和法拉第效率相比已报道的铁基催化剂有了很大的提升，并且该催化材料在电催化领域未见报道。

技术特征：

1.生物质碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料，其特征在于，所述fe/bi-n-c电催化材料是以生物质碳为基底负载金属铁和金属铋制成。

2.权利要求1所述的生物质碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料的制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述生物质材料为天然蚕丝。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，按摩尔比，fecl3·6h2o:bicl3＝2～4:1。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，按摩尔比，fecl3·6h2o:bicl3＝3:1。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，取生物质材料和zncl2在100℃下溶解在fecl3·6h2o溶液中。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述干燥是，将得到的生物质素蛋白溶液在130～150℃下干燥。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述高温碳化是，在800～850℃下高温碳化2～3h。

9.权利要求1所述的生物质碳基底负载非贵双金属fe/bi-n-c电催化材料在电催化氮气合成氨中的应用。

技术总结本发明公开生物质碳基底负载非贵双金属Fe/Bi‑N‑C电催化材料及其制备方法和应用。本发明以BiCl<subgt;3</subgt;和FeCl<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O为金属前驱体，在100℃下与蚕丝搅拌溶解，随后进行干燥，最后在氩气气氛下，800℃煅烧2h，得到蚕丝碳基底负载非贵双金属Fe/Bi‑N‑C电催化材料。本发明所得非贵双金属Fe/Bi‑N‑C电催化剂具有优异电催化氮气还原产氨性能，其活性高、选择性强、性能稳定，表现出比单一金属催化剂更优异的催化活性和选择性。技术研发人员：张薇,李若星,孙颖,赵芷迎受保护的技术使用者：辽宁大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13