RuNPs@M-IL-gel修饰电极在电催化氮还原中的应用

本发明属于电化学催化氮还原领域，尤其涉及包覆钌纳米粒子的微离子凝胶runps@m-il-gel修饰电极在电催化氮还原中的应用。

背景技术：

1、氨作为一种重要的化学品，在化学工业及储氢领域占据着举足轻重的地位。目前，工业上nh3的生产主要依赖于传统的haber-bosch工艺，然而，该工艺条件严苛，需要在高温高压环境下进行。此外，该工艺能耗巨大，占全球年能源消耗的1％以上，且每年产生高达300公吨的二氧化碳。因此，寻求一种绿色且可持续的nh3合成路径显得尤为迫切。电催化n2还原反应(nrr)旨在替代能源密集型的haber-bosch工艺，它不仅能在环境条件下进行，而且可由可再生间歇能源如太阳能、风能等驱动。

2、ru nps因其卓越的催化活性和选择性在电催化氮还原领域得到了广泛应用。微凝胶反应器不仅融合了均相与多相催化的优势，还展现出了卓越的反应性、选择性以及循环性能。液体颗粒化与固体微纳米化技术的结合，有效增大了液体与固体的比表面积，使得两者的复合能够充分发挥各自的优势，实现协同效应的最大化。集固体和液体优势和特色为一体的固液复合型微反应器，利用固体的稳定形态和功能基负载、液体的物质富集和快速传质等功能，实现传质、富集、催化等功能的高效协同表达。为进一步发挥ru nps的催化活性，并充分利用离子液体il的特性，可将其进一步与离子液体微凝胶作用，共同构筑修饰电极用于电催化氮还原，并为发展新型高效的电催化氮还原催化剂提供了良好的思路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种电催化氮还原催化效率高的ru nps@m-il-gel修饰电极。该修饰电极对电催化氮还原显示出卓越的电催化活性，得到的法拉第效率和产氨速率均较高。

2、本发明采用的技术方案为：

3、ru nps@m-il-gel修饰电极在电催化n2转化为nh3中的应用，所述ru nps@m-il-gel修饰电极的制备方法如下：将ru nps@m-il-gel涂覆在疏水性碳布表面，在室温下放置10min，使ru nps@m-il-gel和疏水性碳布表面充分结合，制得ru nps@m-il-gel修饰电极。

4、进一步的，上述的应用，所述ru nps@m-il-gel的制备方法包括如下步骤：

5、1)将ru nps-il、离子液体il和mma涡混1min，与乳化剂溶液一同加入三颈烧瓶中，并磁力搅拌30min，得到均匀的分散体系；

6、2)将步骤1)所得分散体系温度提升至50℃，加入引发剂溶液，开始聚合反应，反应进行1h后，将温度升至85℃，再加入引发剂溶液，反应1h后，继续加入引发剂溶液，反应4h，得到反应产物；

7、3)待步骤2)所得反应产物自然冷却至室温后，用超纯水洗涤、离心五次，真空冷冻干燥24h，得到ru nps@m-il-gel。

8、更进一步的，上述ru nps@m-il-gel的制备方法，步骤1)中，所述乳化剂为聚乙烯吡咯烷酮(pvp，k-30)。

9、更进一步的，上述ru nps@m-il-gel的制备方法，步骤2)中，所述引发剂为过硫酸钾(kps)。

10、更进一步的，上述ru nps@m-il-gel的制备方法，步骤1)中，所述ru nps-il的制备方法包括如下步骤：

11、5.1)将rucl3·3h2o溶于离子液体il中，加入到圆底烧瓶中，在60℃下搅拌30min，得到均匀的红褐色溶液；

12、5.2)向步骤1)所得红褐色溶液中，逐滴加入nabh4溶液，继续在60℃下搅拌2h，冷却至室温，得到黑色沉淀；

13、5.3)将步骤2)所得黑色沉淀用超纯水洗涤、离心三次，得到ru nps-il。

14、进一步的，上述ru nps@m-il-gel的制备方法和ru nps-il的制备方法中，所述离子液体il是1-丁基3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim]pf6)或1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰胺盐([emim]ntf2)。

15、进一步的，上述ru nps-il的制备方法，步骤5.2)中，所述nabh4溶液的浓度为0.15m。

16、进一步的，上述ru nps-il的制备方法，步骤5.3)中，所述所述离心条件为在6000rpm下离心3min。

17、进一步的，上述的应用，方法如下：以ru nps@m-il-gel修饰电极为工作电极，ag/agc1电极为参比电极，铂片为对电极，0.1m h2so4为电解液，向体系中通入氮气，利用线性伏安扫描法和计时安培法进行电催化n2转化为nh3。

18、更进一步的，上述的应用，所述线性伏安扫描法中，扫描扫速为10mv s-1。

19、更进一步的，上述的应用，所述计时安培法中，电解所用时间为8000s。

20、本发明的有益效果是：

21、1、本发明制备的ru nps@m-il-gel修饰电极，在温和条件下吸附活化n2并促进n2转化为nh3。ru nps@m-il-gel充分利用了固体的稳定形态和功能基团的负载能力，同时发挥了液体物质富集和快速传质特性，实现了富集、催化等功能的高效协同表达。这种协同作用显著提升了nrr性能，为电催化氮还原领域的研究提供了新颖的思路和方法，有助于推动该领域的进一步发展。

22、2、本发明通过乳液聚合法分别制备了ru nps@m-[emim]ntf2-gel以及ru nps@m-[bmim]pf6-gel。这类微凝胶反应器巧妙融合了均相催化与多相催化的优势，在电催化氮还原反应中展现出卓越的高反应性和高选择性。此外，这种基于微凝胶的微反应器还表现出优异的耐热性和耐化学性，能够在复杂多变的环境中保持稳定的性能。液体颗粒化与固体微纳米化技术的运用，显著提升了液体与固体的比表面积，进而有效提高了其反应效率。

23、3、本发明对催化过程中的技术参数进行控制，同时对电极材料的原料进行合理搭配，进而提高了电化学电催化氮还原的效率，提高了产氨速率和法拉第效率。本发明的runps@m-[emim]ntf2-gel修饰电极在电催化氮还原过程中，在外加电压为-0.2v(vs.rhe)时产氨速率为24.14μg h-1mgcat-1，法拉第效率为20.56％。本发明的ru nps@m-[bmim]pf6-gel修饰电极在电催化氮还原过程中，在外加电压为-0.2v(vs.rhe)时产氨速率为27.01μg h-1mgcat-1，法拉第效率为23.84％。

技术特征：

1.ru nps@m-il-gel修饰电极在电催化n2转化为nh3中的应用，其特征在于，所述runps@m-il-gel修饰电极的制备方法如下：将ru nps@m-il-gel涂覆在疏水性碳布表面，在室温下放置10min，使ru nps@m-il-gel和疏水性碳布表面充分结合，制得ru nps@m-il-gel修饰电极。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述ru nps@m-il-gel的制备方法包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤1)中，所述乳化剂为聚乙烯吡咯烷酮。

4.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤2)中，所述引发剂为过硫酸钾。

5.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，步骤1)中，所述ru nps-il的制备方法包括如下步骤：

6.根据权利要求2或5所述的应用，其特征在于，所述离子液体il是1-丁基3-甲基咪唑六氟磷酸盐或1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰胺盐。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，步骤5.2)中，所述nabh4溶液的浓度为0.15m。

8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，方法如下：以ru nps@m-il-gel修饰电极为工作电极，ag/agc1电极为参比电极，铂片为对电极，0.1m h2so4为电解液，向体系中通入氮气，利用线性伏安扫描法和计时安培法进行电催化n2转化为nh3。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述线性伏安扫描法中，扫描扫速为10mvs-1。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述计时安培法中，电解所用时间为8000s。

技术总结本发明公开了Ru NPs@M‑IL‑gel修饰电极在电催化氮还原中的应用。将Ru NPs‑IL、IL和MMA涡混，与乳化剂PVP加入三颈烧瓶中，并磁力搅拌30min，以确保充分混合；分三次加入引发剂KPS溶液，进行乳液聚合；离心洗涤，真空冷冻干燥24h，得到包覆钌纳米粒子的微离子凝胶(Ru NPs@M‑IL‑gel)；取Ru NPs@M‑IL‑gel，涂覆在疏水性碳布表面，在室温下放置10min，使材料充分和疏水性碳布表面结合，制得Ru NPs@M‑IL‑gel修饰电极。本发明Ru NPs@M‑IL‑gel修饰电极制备简单，对电催化氮还原显示出卓越活性，有较高的产氨速率和法拉第速率。技术研发人员：宋智凝,汪跃然,吴抒遥,冯书晓,丛琳峰,孟庆博,宋溪明受保护的技术使用者：辽宁大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12