[发明专利]一种光电催化固氮合成氨的装置及方法

权利要求书

1.一种光电催化固氮合成氨装置，其特征在于：由双极膜和纳米固氮催化膜组成的光电复合膜将阳极室和阴极室隔成双室电解槽，所述双极膜包括阴离子交换膜和阳离子交换膜，纳米固氮催化剂薄膜负载于阳离子交换膜表面，阳极室加入电解质水溶液，阴极室充满氮气，以BiVO₄或Pt电极作为阳极，固氮催化剂薄膜作为阴极，阴极室设置盛有稀硫酸的容器，用来吸收生成的氨气，采用氙灯作为光源，外加直流电源提供电场作用力，直流电源的正极、负极分别与阳极和阴极连接。

2.根据权利要求1所述的一种光电催化固氮合成氨装置，其特征在于：所述光电复合膜的制备方法如下：

(1)制备阴离子交换膜：采用聚乙烯醇、聚吡咯烷酮、聚苯醚、聚砜、苯乙烯、阴离子交换树脂、聚乙烯苄基氯中的一种或几种任意比例的混合物作为阴离子交换膜的支撑骨架，伯氨基、仲氨基、叔氨基和季氨基的一种或几种任意比例的混合物作为阴离子交换膜的固定基团，配制阴离子交换膜液并通过流延法制备阴离子交换膜,厚度为30～80μm；

(2)制备阳离子交换膜：采用聚乙烯醇、聚苯醚、聚砜和苯乙烯中的一种或几种任意比例的混合物作为阳离子交换膜的支撑骨架，磺酸基、羧酸基和磷酸基中的一种或几种任意比例的混合物作为阳离子交换膜的固定基团，配制阳离子交换膜液并流延于步骤(1)制备的阴离子交换膜表面，得到阳离子交换膜，厚度为30～80μm；

(3)制备纳米固氮催化剂薄膜：采用旋涂法或喷涂法将纳米固氮催化剂粉末负载于阳离子交换膜表面，纳米固氮催化剂薄膜厚度为0.1～2.0μm。

3.根据权利要求2所述的一种光电催化固氮合成氨装置，其特征在于：所述光电复合膜的制备方法中，(1)制备阴离子交换膜：采用聚乙烯醇、聚吡咯烷酮、聚苯醚、聚砜、苯乙烯、阴离子交换树脂、聚乙烯苄基氯中的一种或几种任意比例的混合物作为阴离子交换膜的支撑骨架，伯氨基、仲氨基、叔氨基、季氨基的一种或几种任意比例的混合物作为阴离子交换膜的固定基团，配制阴离子交换膜液并通过流延法制备阴离子交换膜,厚度为30～80μm；具体方法为：

将作为阴离子交换膜支撑骨架的物质与作为阴离子交换膜固定基团的物质混散于容器中，加入质量分数为0.05％～0.2％的醋酸水溶液，搅拌下加热到60℃溶解，待完全溶解后静置2小时脱泡形成阴离子交换膜液，然后流延于平整干洁的带边框玻璃板上，采用质量分数为5～10％的戊二醛水溶液进行交联，体积为阴离子交换膜液的1/6，在60℃的鼓风干燥箱中烘干，得到阴离子交换膜。

4.根据权利要求3所述的一种光电催化固氮合成氨装置，其特征在于：所述光电复合膜的制备方法中，(2)制备阳离子交换膜：采用聚乙烯醇、聚苯醚、聚砜和苯乙烯中的一种或几种任意比例的混合物作为阳离子交换膜的支撑骨架，磺酸基、羧酸基和磷酸基中的一种或几种任意比例的混合物作为阳离子交换膜的固定基团，配制阳离子交换膜液并流延于步骤(1)中制备的阴离子交换膜表面，得到阳离子交换膜，厚度为30～80μm；具体方法为：

将作为阳离子交换膜支撑骨架的物质与作为阳离子交换膜固定基团的物质混散于容器中，加入质量分数为0.05％～0.1％的磷酸水溶液，搅拌下加热到60℃溶解，待完全溶解后静置2小时脱泡形成阳离子交换膜液，然后流延于步骤(1)中制备的阴离子交换膜表面，采用质量分数为5～10％的FeCl₃水溶液进行交联，体积为阳离子交换膜液的1/6，干燥后得到阳离子交换膜。

5.根据权利要求4所述的一种光电催化固氮合成氨装置，其特征在于：所述光电复合膜的制备方法中，(3)制备纳米固氮催化剂薄膜：采用旋涂法或喷涂法将纳米固氮催化剂粉末负载于阳离子交换膜表面，纳米固氮催化剂薄膜厚度为0.1～2.0μm；具体方法为：

将纳米催化剂颗粒分散于Nafion溶液中，选择在步骤(2)制备的阳离子交换膜表面处于半干状态，表面还具有粘性时，将含有纳米固氮催化剂颗粒的Nafion溶液喷涂或旋涂于阳离子交换膜表面，得到纳米固氮催化剂薄膜。