钼基纳米催化材料电及光催化还原氮气合成氨性能及机理研究

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氨(NH3)是一种重要的工业、农业原料。工业上一般采用高温高压的Haber-Bosch法产氨,消耗大量的能源,排放污染物量巨大,引发环境问题。因此,发展绿色经济的产氨方法是十分必要的。目前新兴的产氨法中,光、电固氮发展迅猛。然而N2难以吸附活化、N≡N键能高,使得光、电催化方法氨产率低。如何使催化剂更好地吸附活化N2分子从而提高产氨效率是光及电催化产氨的关键。针对该科学问题,以钼基纳米催化材料为研究对象,构建钼基纳米材料电及光催化合成氨反应,借助光电性能表征,BET、XPS和Raman等手段,分析钼基纳米材料对于N2分子的吸附活化的作用及产氨催化性能。主要研究结果如下:(1)电催化反应中,选择Mo负载的荔枝皮生物质多孔炭(Mo/BC)作为电催化剂,进行电催化产氨实验。研究发现,荔枝皮生物质多孔炭(BC)比表面积大,易于吸附N2,其自掺杂氧,造成碳缺陷,形成电荷极化,使N2易被活化。负载钼后,Mo/BC还具备了更好的电化学性能。进行电催化实验后知,BC和Mo/BC都能够产氨,但氨的产量不稳定,难以对其产氨能力进行评估。(2)采用水热法成功地将Mo S2纳米花负载在高比表面积、高孔隙率的荔枝皮多孔炭上,考察了Mo S2/BC的光催化产NH3性能。实验结果表明,与纯荔枝皮炭及纯Mo S2球相比,Mo S2/BC具有更大的比表面积和更高的光生电子-空穴分离效率。在光催化还原N2合成NH3反应体系中,Mo S2/BC表现出优异的光催化活性,产NH3效率为31.878μmol?g-1?h-1,远高于这两种催化材料。Mo S2/BC复合材料有助于电荷迁移和惰性N2分子的吸附和活化,对光催化产氨有良好的促进作用。(3)将电、光催化反应过程进行对比,分析电催化法产氨活性低、产氨率不稳定的原因。原因如下:(1)电催化反应池中,N2分散性极差,催化剂位置固定且面积极小,催化剂与N2接触几率较低。(2)在电催化反应中析氢反应严重,使反应电极不断析出H2气泡,阻挡了N2与催化剂的吸附,且造成催化剂的崩坏和脱落。(3)不断改变的电压造成催化剂表面的改性从而导致其失活。
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