氨是世界上年產(chǎn)最多的無機化合物之一,同時也是生產(chǎn)化肥和重要化學原料的中間體,在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位。工業(yè)上廣泛使用的傳統(tǒng)Haber-Bosch,操作條件苛刻需要高溫高壓,工藝單程轉(zhuǎn)化率較低、能耗高,并且會產(chǎn)生大量溫室氣體等,亟待開發(fā)溫和條件下綠色合成氨技術(shù)。電化學合成氨能夠在電能的作用下打破氮氣活化熱力學能壘,在常溫常壓下能夠?qū)崿F(xiàn)由水和氮氣合成氨,從而備受廣泛關(guān)注。本文分別以活性炭（AC）和碳球（CS）作為載體,采用等體積浸漬法制Ni O/AC和Ni O/CS兩種電催化劑,利用XRD、SEM、CV和EIS等手段進行表征,采用熔融Na OH-KOH熔鹽為電解質(zhì),以水和氮氣為原料,開展電化學合成氨研究。微觀表征表明,制備的催化劑活性組分為在AC表面均勻地負載的長度約為400 nm、直徑約為20 nm的Ni O納米棒。催化劑制備過程中的鎳碳比過高或過低均會導致催化劑性能下降;焙燒溫度的升高也會引起催化劑性能下降。隨著合成氨反應溫度的升高產(chǎn)氨速率和法拉第效率（FE）均會增加,250℃時分別達到最大值,繼續(xù)升高溫度合成氨效果則變差;提高電解電壓產(chǎn)氨速率增加,但FE會降低,在1.75... 

【文章來源】：東北石油大學黑龍江省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

電催化合成氨的反應機理Fig.1-1Thereactionmechanismofelectrocatalyticsynthesisofammonia.

第一章文獻綜述4圖1-1(C)所示的是Mars-vanKrevelen（MvK）機制，但是它專門用于過渡金屬氮化物（TMN）電催化劑進行NRR時的一種反應機制，并且大多數(shù)的研究表明金屬氮化物催化劑的穩(wěn)定性能較差，主要的表現(xiàn)為在NRR期間，氮化物中的氮原子有溶解趨勢[20-21]。同樣類似的分析計算也適用于MvK途徑，從理論上分析可知，TMN的獨特性在于其表面上摻雜的N原子會在合成氨的過程中被還原,隨后其表面上形成的氮空位將會被溶解的氮氣所補充。但是與解離途徑和締合途徑不同的是，MvK途徑主要是通過補充氮空位和催化劑的再生來進行合成氨反應，而不是在表面上吸附N2。Zhang等[22]研究了MoN納米片陣列在碳布（MoNNA/CC）上的反應機理。圖1-2(D)中提供了MoN表面上N還原步驟的關(guān)鍵中間體。圖1-2(H)為MoN（200）表面的自由能圖，表明其表面N的第二次質(zhì)子化為電勢限制步驟。圖1-2電催化合成氨過程中的中間體Fig.1-2Intermediateintheprocessofelectrocatalyticammoniasynthesis1.4電化學合成氨催化劑由于N2中的N≡N鍵能較強，如何活化氮氣一直是合成氨研究工作面臨的最大挑戰(zhàn)之一。開發(fā)高活性催化劑，降低N2還原活化能，提高電化學合成氨產(chǎn)氨速率和電流效率，成為研究者追逐的目標之一。目前的大量研究中催化劑主要分為貴金屬催化劑、非貴金屬催化劑和無金屬負載催化劑三類。1.4.1貴金屬電催化劑貴金屬具有高活性和耐高溫等優(yōu)點，因此在早期的電化學合成氨中貴金屬催化劑受到廣泛關(guān)注。1998年，希臘科學家Marnellos等[17]在Science上首次報道了以固體氧化物質(zhì)子導體作電解質(zhì)，以Pd作陰極催化劑電化學合成氨，最高產(chǎn)氨速率為4.5×10-9

第二章實驗部分142.3.3循環(huán)伏安分析采用武漢CorrTest公司生產(chǎn)的CS350型電化學工作站進行循環(huán)伏安分析，以銹鋼網(wǎng)作為工作電極、鎳片作為對照電極和參比電極，掃描速率為100mVs-1，電壓的范圍為-2.0-1.5V。2.3.4電化學交流阻抗分析采用武漢CorrTest公司生產(chǎn)的CS350型電化學工作站進行電化學交流阻抗分析，以銹鋼網(wǎng)作為工作電極、鎳片作為對照電極和參比電極，測試交流電壓的幅值為10mV，頻率為10-2~105Hz。使用ZSimpWin軟件進行等效電路模擬，以此得到相應的阻抗特性。2.4電催化合成氨使用點焊機將規(guī)格為2.5×4cm的雙層200目不銹鋼網(wǎng)與鐵絲焊接在一起作為陰極，將規(guī)格為2.5×4cm的純鎳片與2mm鎳絲焊接在一起作為陽極。采用坩堝（主要成分為Al2O3）為合成氨反應器，按照圖2-2所示安裝陰極與陽極。圖2-2反應器示意圖Fig.2-2Synthesisammoniaequipment.2.5電化學合成氨性能評價如圖2-3所示，將反應中的各個裝置依次對應連接，并對其進行電化學合成氨性能的測試。稱取一定量的KOH-NaOH電解質(zhì)加入坩堝中，開啟電加熱裝置至電解質(zhì)融化，通入由氮氣發(fā)生器制得高純氮氣1h，隨后通入濕氮氣進行電化學合成氨，提供電解電壓和記錄電流密度均由藍電測試系統(tǒng)來進行。采用稀硫酸溶液作為吸收液來吸收反應氣體中的氨，采用水楊酸分光光度法測定吸收液中氨的濃度。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Electrochemical synthesis of ammonia in molten salts[J]. Jiarong Yang,Wei Weng,Wei Xiao.  Journal of Energy Chemistry. 2020(04)
[2]前驅(qū)體及表面活性劑對炭微球合成的影響[J]. 任嬌,金永中,陳建,鐘麗萍,丁冬梅.  炭素技術(shù). 2016(05)
[3]Electrochemical synthesis of ammonia using a cell with a Nafion membrane and SmFe0.7Cu0.3-xNixO3（x=0―0.3） cathode at atmospheric pressure and lower temperature[J]. XU GaoChao,LIU RuiQuan & WANG Jin College of Chemistry and Chemical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830046,China.  Science in China（Series B:Chemistry）. 2009(08)



本文編號：3576719