[发明专利]基于纳米多孔金和沸石咪唑骨架的复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于纳米多孔金和沸石咪唑骨架的复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将聚乙烯聚吡咯烷酮、对苯二酚、硝酸银和水混合，逐滴滴加氯金酸水溶液，在室温下搅拌至液体变为红棕色，静置；再加入浓氨水，离心，清洗离心所得沉淀，干燥，得到多孔金，将多孔金、六水合硝酸锌、2‑甲基咪唑和甲醇混合，室温静置至出现灰色沉淀，离心获取所述灰色沉淀后清洗，干燥，得到所述复合材料，本发明用常温下溶液法合成一种基于纳米多孔金和沸石咪唑骨架的复合材料，该制备方法反应操作简单易行，所需设备简单，可重复性高，且制得的复合材料具有产率高，电化学稳定性好，氮还原电催化性能优等优点。

技术领域

本发明属于电催化固氮材料技术领域，具体来说涉及一种基于纳米多孔金和沸石咪唑骨架的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

氨是世界上产量最高的化学品之一，这是由于它是肥料的氮来源，可以作为清洁能源载体和运输燃料，有较高的能量密度。全球总的氨产量已达到1.46亿吨/年，随着总人口的增长，氨产物的需求也会继续增加，充足廉价的氨生产尤为重要。然而，尽管大气中用于氮还原制氨的氮气的可用量是不受限制的，但是由于氮分子的化学惰性，常温常压下的氮还原制氨是一项很严峻的挑战。目前，工业化氨生产主要采用传统的Haber–Bosch法，这一过程使用高纯度氢气在高温高压(500℃、200～300atm)下借助铁或钌基催化剂还原高纯度氮气，占据了约2％的全球年能耗(34GJ/tonNH3)。除了加热和泵送所需能量之外，该工艺中用到的高纯度氢气大多数是由化石燃料所得的天然气重整而成，而这一过程会产生大量温室气体(1.87tonCO2/tonNH3)。除此之外，由于不利的化学平衡，氨的产率通常都很低，转化率只能达到10％左右。而未来氨需求量的增加很可能会导致更多的能耗和二氧化碳排放。

电化学方法是利用质子和电子进行氮还原反应(NRR)，由可循环的太阳能和风能提供动力，可以实现室温和常压下可持续的人工氮还原绿色制氨。因此电催化NRR在用氮和水实现清洁无碳、节能且可持续的氨生产方面具有很高的潜力。贵金属纳米材料由于其高活性位点被广泛应用于众多催化反应，其中包括氮还原制氨，然而传统的实心纳米颗粒稳定性差，因此活性位点减少，使制氨效果受到极大的影响，只能达到低于10％的法拉第效率，严重地限制了氨生产的工业化应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于纳米多孔金和沸石咪唑骨架的复合材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的复合材料，该复合材料具有核壳结构和十二面体的晶体形貌，可以作为复合电催化剂应用于中性电解液中氮气还原制备氨。

本发明的另一目的是提供上述复合材料作为电催化剂在提高氨产率和法拉第效率中的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种基于纳米多孔金和沸石咪唑骨架的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚乙烯吡咯烷酮、对苯二酚、硝酸银和水混合，逐滴滴加氯金酸水溶液，在室温20～25℃下搅拌至液体变为红棕色，静置25～30分钟；再加入浓氨水，离心，清洗离心所得沉淀，干燥，得到多孔金，其中，按物质的量份数计，所述聚乙烯吡咯烷酮、对苯二酚、硝酸银和氯金酸水溶液中的氯金酸的比为(253～1013):(5～23):(0.75～1.5):1；所述聚乙烯吡咯烷酮的物质的量份数与所述水的体积份数的比为(8.5×10^-5～9.5×10^-5):1，所述氯金酸水溶液中氯金酸的浓度为37～42mmol·L^-1，所述浓氨水的体积份数与所述硝酸银的物质的量份数的比为(8.6×10⁶～8.7×10⁶):1；

在所述步骤1)中，清洗所述沉淀所以采用的溶液依次为丙酮和乙醇。

在所述步骤1)中，所述离心的转速为4000～5000rpm，离心时间为4～5分钟。