[发明专利]一种单原子双活性中心Co基氨合成催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于催化剂材料制备领域，具体涉及一种单原子双活性中心Co基氨合成催化剂及其制备方法，其是采用模板法制备合成N掺杂的C球为载体，并在该载体上以单原子形式负载活性金属Co。该催化剂中同时具有稳态和动态活性中心，其稳态活性位中单原子Co与吡咯N配位，促进N₂逐步加氢生成N₂H₂、N₂H₄和NH₂‑NH₄，而最后脱附生成NH₃；而动态活性中心遵循的是以N为中心的化学链合成氨。稳态和动态活性中心的存在使得单原子Co基催化剂在温和条件下具有较高的氨合成活性和热稳定性，大大提高了Co原子的利用率，且催化剂的机械强度较大，因此在氨合成反应中表现出良好的工业应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂材料制备领域，具体涉及一种单原子双活性中心Co基氨合成催化剂及其制备方法。

背景技术

氨(NH₃)是化肥的重要组成部分，也是氢能源的重要载体。世界范围内NH₃产量高达1.62亿吨/年，每年1-2%的能量用于NH₃的生产。目前，工业合成氨主要采用铁基（活性组分主要是Fe₃O₄或Fe_1-xO）催化剂，在高温（450~510℃）和高压（15.0~32.0MPa）下进行合成氨（N₂+3H₂2NH₃）。因此，要真正实现合成氨过程的进一步大幅度节能降耗，开发低温和低压下高效合成氨的催化剂是关键。如何设计开发出新型非贵金属基高性能催化剂并实现在温和条件下合成氨成为最具挑战性的课题之一。

目前报道的Co基氨合成催化剂都是将N₂首先解离，然后再逐步加氢生成NH₃，该反应机理由于N₂解离需要的能垒非常大（945 kJ/mol），导致合成氨反应需要高温和高压。本发明首次以C球为载体，通过将N插入到Co中制备出单原子CoN₆/C催化剂，该催化剂同时具有稳态单原子活性中心和动态循环活性中心，两种活性中心的共存，使得N₂不需解离，而是直接加氢生成NH₂，再逐步加氢释放NH₃，从而打破了传统合成氨反应过程N₂解离需要高能垒的瓶颈，最终实现在温和条件下（350 ℃和1 MPa）氨的合成，且催化剂经过长时间的运行后，并未出现明显的失活现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种呈现原子分散且具有双活性中心的Co基氨合成催化剂及其制备方法，该催化剂可以打破氨合成反应中存在的限制性关系，实现低温和低压下氨的合成，降低合成氨反应需要的能耗。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单原子双活性中心Co基氨合成催化剂，其主要是以N掺杂的C球为载体，及该载体上以单原子形式分散的活性金属Co共同构成。

所述催化剂中Co的原子半径为0.15 nm，其在催化剂中通过三聚氰胺产生的吡咯N稳定，故催化剂中不存在Co-Co配位形式。这使Co具有双重活性位，包括Co₁-N_3.5稳态单原子活性位及Co₁-N_x（0＜x＜2.5）动态单原子活性位。

其中，所述Co₁-N_3.5稳态单原子活性位通过热催化合成氨，其合成氨的路径为N₂先加氢生成N₂H₂，然后再逐步加氢生成NH₂-NH₄，最后脱附生成2个NH₃分子。