碳负载氮化钼催化剂的制备及其电催化氮还原性能的研究
氨是一种重要的化工原料及储氢的载体，全球每年有大约1.75亿吨的氨被用于生产化肥、炸药、药物等工业产品。此外，氨具有高密能量密度和易存储的优势，有望取代氢能和化石能源并成为新一代的内燃机燃料。目前市场上90%的氨来自于Haber-Bosch工艺，但因其高能耗的弊端而与当今国家倡导的双碳目标以及可持续发展的理念相悖。电催化氮气还原合成氨（NRR）方法具有反应条件温和（常温、常压）、选择性高、原子利用率高等优点，近年来引起了研究者的广泛关注。尽管如此，NRR反应体系仍存在一些挑战：（1）氮气分子具有强热力学稳定性，（2）反应过程中伴随有析氢反应，故NRR反应的法拉第效率较低。合理设计、构筑廉价、高效、稳定的电催化剂，是解决上述问题的关键。本文以开发高活性的催化剂为目标，调控了催化剂组分、表界面性质；通过优化反应体系、电解液的组成和极性，来控制催化剂表界面所处的局部微环境，极大地提升了NRR的法拉第效率和氨的生成速率，并表现出较好的抑制析氢效果。本论文的主要研究内容如下： （1）通过水热法合成了三氧化钼与还原氧化石墨烯的复合材料（MoO3/rGO），之后经氨气中的退火处理得到了氮化钼与还原氧化石墨烯的复合材料（Mo2N/rGO）。通过控制退火温度可调控Mo2N/rGO的氮化程度；通过控制前驱体中还原氧化石墨烯的量可调控Mo2N/rGO的导电性。选择甲醇-水溶液作为电解液，电化学测试结果显示，当前驱体中氧化石墨烯用量为20mg、且退火温度为650℃时，制得的Mo2N/rGO具有最优的NRR性能，其在-1.1V（vs.Ag/AgCl）的电位下，能表现出20.55±1.56μgh-1mgcat.-1的产氨速率以及66.6±3.15%的法拉第效率，且在循环9圈之后性能没有发生明显的衰减。 （2）首先通过水热法合成了MoO3纳米棒，再进行一次水热，在MoO3表面包覆葡萄糖衍生碳（MoO3@C），最后经氨气中的退火处理，得到了葡萄糖衍生碳包覆的氮化钼（Mo2N@C）。控制退火温度可调控催化活性物质。选择甲醇-水溶液作为电解液，电化学测试结果显示，Mo2N@C在-1.1V（vs.Ag/AgCl）电位下的产氨速率高达103.5±1.3μgh-1mgcat.-1，接近相同电位下未进行碳包覆的Mo2N产氨速率的7倍；法拉第效率为75.9±0.6%，接近相同电位下未进行碳包覆的Mo2N法拉第效率的3倍。稳定性结果显示，在循环测试7圈之后，催化剂开始趋于稳定。
电催化氮气还原;氮化钼;抑制析氢
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
邱介山
2022
中文
TQ426.6
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）