本發(fā)明涉及電催化合成氨的，尤其涉及一種碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法及其在電催化合成氨中的應用。

背景技術(shù)：

1、氨在化肥生產(chǎn)、化肥原料、煉油工業(yè)等等方面對于人類有極其重要的意義，是現(xiàn)代工業(yè)中一種不可或缺的基礎(chǔ)化學品。同時，硝酸鹽/亞硝酸鹽污染是一個嚴重的環(huán)境問題，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。電催化還原硝酸根/亞硝酸根合成氨是一種可持續(xù)的氨合成途徑，不僅可以將硝酸鹽/亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為高附加值的氨，還可以控制水中硝酸根/亞硝酸根含量維持生態(tài)平衡。近幾年電催合成氨因其環(huán)境友好、可持續(xù)性以及條件溫和等優(yōu)點屬于熱門研究領(lǐng)域，通過電化學反應轉(zhuǎn)換硝酸鹽/亞硝酸鹽生成氨被認為是平衡全球氮循環(huán)的有前景的策略，備受研究人員關(guān)注。然而催化劑的不穩(wěn)定性、選擇性和法拉第效率低以及有限的氨產(chǎn)率等問題始終是電催化合成氨領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)，需要進一步提高。為此，國內(nèi)外的研究人員們開發(fā)了多種策略，包括開發(fā)更高效的催化劑、優(yōu)化反應條件以及深入研究反應機理。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述問題，提出一種碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法及其在電催化合成氨中的應用，以解決現(xiàn)有技術(shù)的以下問題：電催合成氨因其環(huán)境友好、可持續(xù)性以及條件溫和等優(yōu)點屬于熱門研究領(lǐng)域，通過電化學反應轉(zhuǎn)換硝酸鹽/亞硝酸鹽生成氨被認為是平衡全球氮循環(huán)的有前景的策略，備受研究人員關(guān)注。然而催化劑的不穩(wěn)定性、選擇性和法拉第效率低以及有限的氨產(chǎn)率等問題始終是電催化合成氨領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)，需要進一步提高。

2、具體地，本發(fā)明包括以下內(nèi)容。

3、本發(fā)明的第一方面，提供一種一種碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括：步驟一，配置鹽酸多巴胺溶液，并在所述鹽酸多巴胺溶液中滴加鹽酸溶液，將所述鹽酸多巴胺溶液的ph值控制為1.5-2.5；步驟二，將金屬氯化物加入到所述鹽酸多巴胺溶液中并攪拌均勻，得到第一混合溶液，其中所述金屬氯化物為氯化鈷、氯化銅和氯化鋅中的一種，但不限于氯化鈷、氯化銅和氯化鋅；步驟三，配置鎢酸鈉溶液，并將所述鎢酸鈉溶液逐滴加入所述第一混合溶液中，持續(xù)攪拌均勻得到第二混合溶液；步驟四，使用超純水將所述第二混合溶液進行多次超聲和過濾處理，得到第一超聲混合濾液；步驟五，待所述第一超聲混合濾液澄清后，在澄清后的所述第一超聲混合濾液中加入乙醇進行多次超聲和過濾處理，得到第二超聲混合濾液；步驟六，待所述第二超聲混合濾液澄清后，將澄清后的所述第二超聲混合濾液置于真空干燥箱進行烘干處理，得到催化劑前驅(qū)體；步驟七，將所述催化劑前驅(qū)體放入氬氣爐高溫進行碳化處理，得到碳化鎢支撐金屬單原子催化劑。

4、優(yōu)選地，所述配置鹽酸多巴胺溶液，包括：將鹽酸多巴胺溶解于純水中，得到濃度為0.01m-0.15m的所述鹽酸多巴胺溶液。

5、優(yōu)選地，所述配置鎢酸鈉溶液，包括：將鎢酸鈉溶解于純水中，得到濃度為0.01m-0.15m的所述鎢酸鈉溶液。

6、優(yōu)選地，所述鹽酸多巴胺溶液中鹽酸多巴胺的物質(zhì)的量與所述鎢酸鈉溶液中鎢酸鈉的物質(zhì)的量的比為1：1。

7、優(yōu)選地，所述金屬氯化物的物質(zhì)的量與所述鹽酸多巴胺溶液中鹽酸多巴胺的物質(zhì)的量的比為1：10。

8、優(yōu)選地，所述將澄清后的所述第二超聲混合濾液置于真空干燥箱進行烘干處理的真空干燥溫度為50-70℃。

9、優(yōu)選地，所述將所述催化劑前驅(qū)體放入氬氣爐高溫進行碳化處理的溫度為800-1000℃，碳化處理時長為2-3h。

10、本發(fā)明的第二方面，提供一種上述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑在電催化合成氨中的應用，其包括：將所述碳化鎢支撐金屬單原子催化劑制作成為碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極；將所述碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極放入h型電解池內(nèi)，其中h型電解池內(nèi)的電解液為0.2m的k2so4和n濃度為100ppm的kno3的混合溶液，在常溫常壓條件下電催化還原硝酸根合成氨。

11、優(yōu)選地，所述將所述碳化鎢支撐金屬單原子催化劑制作為碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極，包括：步驟一，將所述碳化鎢支撐金屬單原子催化劑置于塑料離心管中，再往所述塑料離心管中加入無水乙醇，然后將所述塑料離心管進行超聲分散均勻后再滴加萘酚溶液，再在超聲機中對所述塑料離心管中的溶液進行超聲處理；步驟二，用移液槍量取超聲處理后的所述塑料離心管的溶液滴涂導電碳紙上面晾干，得到所述碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極。

12、優(yōu)選地，所述將所述碳化鎢支撐金屬單原子催化劑制作為碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極，包括：步驟一，稱取5mg制備好的所述碳化鎢支撐金屬單原子催化劑置于2ml塑料離心管中，再往所述塑料離心管中加入480μl的無水乙醇，然后將所述塑料離心管進行超聲分散均勻后再滴加20μl的萘酚溶液，再在超聲機中對所述塑料離心管中的溶液進行超聲處理1h；步驟二，用移液槍量取50μl所述塑料離心管中的溶液滴涂在1×1cm2大小的導電碳紙上面晾干，得到0.5mg/cm2所述碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極。

13、本發(fā)明的制備方法以及所得到的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的有益效果包括但不限于：

14、本發(fā)明所用原料易得，反應步驟簡單不繁瑣，催化劑穩(wěn)定性好，能夠在長時間反應條件下依然保持高活性，同時能夠在不同氮源的條件下高效合成氨，且具有高的n轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率以及fe,最高氨氮的產(chǎn)率為997.35μg?h-1mg-1cat.,n轉(zhuǎn)化率最高可以到達96％，有非常好的應用前景。

技術(shù)特征：

1.一種碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述配置鹽酸多巴胺溶液，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述配置鎢酸鈉溶液，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述鹽酸多巴胺溶液中鹽酸多巴胺的物質(zhì)的量與所述鎢酸鈉溶液中鎢酸鈉的物質(zhì)的量的比為1：1。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述金屬氯化物的物質(zhì)的量與所述鹽酸多巴胺溶液中鹽酸多巴胺的物質(zhì)的量的比為1：10。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述將澄清后的所述第二超聲混合濾液置于真空干燥箱進行烘干處理的真空干燥溫度為50-70℃。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法，其特征在于，所述將所述催化劑前驅(qū)體放入氬氣爐高溫進行碳化處理的溫度為800-1000℃，碳化處理時長為2-3h。

8.一種如權(quán)利要求1-7任一項所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑在電催化合成氨中的應用，其特征在于，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑在電催化合成氨中的應用，其特征在于，所述將所述碳化鎢支撐金屬單原子催化劑制作為碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑在電催化合成氨中的應用，其特征在于，所述將所述碳化鎢支撐金屬單原子催化劑制作為碳化鎢支撐金屬單原子修飾電極，包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明實施例公開了一種碳化鎢支撐金屬單原子催化劑的制備方法及其在電催化合成氨中的應用，該方法包括：配置鹽酸多巴胺溶液；將金屬氯化物加入到鹽酸多巴胺溶液中攪拌均勻，得到第一混合溶液；配置鎢酸鈉溶液并將其加入第一混合溶液中，攪拌均勻得到第二混合溶液；使用超純水將第二混合溶液進行超聲和過濾，得到第一超聲混合濾液；加入乙醇進行超聲和過濾，得到第二超聲混合濾液；待第二超聲混合濾液澄清后，將其進行烘干處理，得到催化劑前驅(qū)體；將催化劑前驅(qū)體進行碳化處理，得到碳化鎢支撐金屬單原子催化劑。本發(fā)明的碳化鎢支撐金屬單原子催化劑具有高效電催化還原硝酸根/亞硝酸根合成氨的能力，在電催化合成氨領(lǐng)域具有很大的應用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：羅于,盧琛琦,肖創(chuàng),汪新輝,陳嘉莉,丁琳,鄧芳,鄒建平
受保護的技術(shù)使用者：南昌航空大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19