论文部分内容阅读
氨与我们的生活息息相关,它在化肥、医药、染料和树脂等现代合成化学品中占有重要地位,在大气中通过人工固氮来合成氨。氨具有较高的能量密度(4.3kW h kg-1)和可再生性,反应过程中不会排放二氧化碳,对环境绿色友好,因此它是一种清洁能源,有望替代化石燃料。尽管具有重要意义,但工业规模的合成氨仍然依赖于高能耗的Haber-Bosch工艺,在此过程中,需要苛刻的反应条件(300-600℃和200-350atm)才能使极惰性的N≡N三键发生断裂。在这一过程中,需要消耗大量的化石燃料为反应提供高能量。与此同时,过度的燃料使用导致温室效应、粉尘、雾霾等问题,严重地污染了环境。因此,发展环境友好、节能的合成氨手段显得尤为重要。在这种情况下,电催化氮还原反应(NRR)是最有前途的反应之一,因为它能在常温常压下实现固氮,反应过程不产生有害物质,对环境无污染。NRR是将电能转换成化学能,利用催化剂引发固氮来实现合成氨。
催化剂在NRR中至关重要,开发具有高选择性、优异活性、良好稳定性的催化剂是保证氨产率和法拉第效率的关键。目前,常用的催化剂包括贵金属催化剂、过渡金属催化剂、非金属催化剂等。其中,过渡金属催化剂具有在地壳中储量丰富,成本低廉,反应易于控制等优点,如今已成为电催化研究领域的热门材料。
本文制备了一种新型的过渡金属催化剂硫化锑(Sb2S3)纳米粒子,其在常温常压下对合成氨具有电催化作用。采用电纺氧化锡(SnO2)纳米纤维作为活性衬底,将Sb2S3纳米粒子通过水热法固定在SnO2纳米纤维上,制成Sb2S3@SnO2纳米纤维,可以防止Sb2S3纳米粒子的聚集,并实现电催化性能的有效协同。通过该方法得到的Sb2S3@SnO2纳米纤维具有良好的形貌特征,在0.1M Na2SO4电解液中,在-0.4Vvs.RHE电势下,具有优异的催化活性和催化稳定性,氨产率和法拉第效率分别为22.0μg h-1mgcat.-1和15.1%。
为了进一步提高氨产率和法拉第效率,又提出了一种新的非金属催化剂-黑磷(BP),通过超声剥离为量子点(QDs),由于具有更大的比表面积,因而比片状BP的活性更好。然而,BP QDs容易聚集,不可避免地导致活性位点的丧失。此外,BP QDs的导电性差不利于电解过程中的电荷传输。为了解决这些问题,采用了一种具有电化学活性的导电基体-黑色氧化锡(SnO2-x)纳米管。通过简单的自组装,由于Sn-P键的配位作用,BP QDs被稳定地固定在SnO2-x纳米管上,形成了一种双活性的催化剂。得益于它们的协同优势,BP@SnO2-x纳米管可以发挥更好的电催化效果。在0.1M Na2SO4电解液中,在-0.4V vs.RHE电势下,BP@SnO2-x纳米管表现出良好的电催化活性和催化稳定性,氨产率达48.87μg h-1mgcat.-1和法拉第效率达14.6%。
催化剂在NRR中至关重要,开发具有高选择性、优异活性、良好稳定性的催化剂是保证氨产率和法拉第效率的关键。目前,常用的催化剂包括贵金属催化剂、过渡金属催化剂、非金属催化剂等。其中,过渡金属催化剂具有在地壳中储量丰富,成本低廉,反应易于控制等优点,如今已成为电催化研究领域的热门材料。
本文制备了一种新型的过渡金属催化剂硫化锑(Sb2S3)纳米粒子,其在常温常压下对合成氨具有电催化作用。采用电纺氧化锡(SnO2)纳米纤维作为活性衬底,将Sb2S3纳米粒子通过水热法固定在SnO2纳米纤维上,制成Sb2S3@SnO2纳米纤维,可以防止Sb2S3纳米粒子的聚集,并实现电催化性能的有效协同。通过该方法得到的Sb2S3@SnO2纳米纤维具有良好的形貌特征,在0.1M Na2SO4电解液中,在-0.4Vvs.RHE电势下,具有优异的催化活性和催化稳定性,氨产率和法拉第效率分别为22.0μg h-1mgcat.-1和15.1%。
为了进一步提高氨产率和法拉第效率,又提出了一种新的非金属催化剂-黑磷(BP),通过超声剥离为量子点(QDs),由于具有更大的比表面积,因而比片状BP的活性更好。然而,BP QDs容易聚集,不可避免地导致活性位点的丧失。此外,BP QDs的导电性差不利于电解过程中的电荷传输。为了解决这些问题,采用了一种具有电化学活性的导电基体-黑色氧化锡(SnO2-x)纳米管。通过简单的自组装,由于Sn-P键的配位作用,BP QDs被稳定地固定在SnO2-x纳米管上,形成了一种双活性的催化剂。得益于它们的协同优势,BP@SnO2-x纳米管可以发挥更好的电催化效果。在0.1M Na2SO4电解液中,在-0.4V vs.RHE电势下,BP@SnO2-x纳米管表现出良好的电催化活性和催化稳定性,氨产率达48.87μg h-1mgcat.-1和法拉第效率达14.6%。