[发明专利]一种自支撑介孔金钯合金薄膜电化学合成氨催化剂及其制备方法

说明书

一种自支撑介孔金钯薄膜电化学合成氨催化剂，由如下方法制备：取一块面积为0.1～6cm²的泡沫镍，在盐酸溶液中浸泡除去表面杂质；分别配置浓度为5～50mM的氯金酸和氯钯酸钠溶液；称取2～20mg的PS‑b‑PEO溶解在1～5mL四氢呋喃中，加入1～3mL无水乙醇、0.5～2mL氯金酸溶液和0.5～2mL氯钯酸钠溶液配成反应溶液，将处理好的泡沫镍置于反应溶液中浸泡反应；在异丙醇中浸泡除去表面活性剂和未反应的金属前驱体，经过洗涤干燥得到自支撑介孔金钯薄膜催化剂。以及提供自支撑介孔金钯薄膜电化学合成氨催化剂的制备方法。本发明合成的催化剂在电化学合成氨反应中展现了突出的催化活性和稳定性。

(一)技术领域

本发明涉及一种自支撑介孔金钯合金薄膜电化学合成氨催化剂及其制备方法，该催化剂可用于电催化合成氨反应的研究。

(二)背景技术

合成氨工业对人类的生活有着重要的作用。现如今，氨的合成主要运用传统的哈伯-博世工艺，由高纯度的氮气催化加氢合成。由于氮气是一种惰性气体，为了打开氮氮三键，因此用哈伯-博世工艺来合成氨时，在铁基催化剂的催化下，还需在350～550℃和15～35MPa这样的恶劣的条件才能运行。此外，该工艺在合成氨的同时，会消耗大量的能源并排放出大量的二氧化碳。因此，这迫切的需要发展一个可行的合成方法来替代哈伯-博世工艺，来实现在温和的条件下，高效、可持续、经济地生产氨。

电化学合成氨作为一种可供选择的策略，由于其可以在温和的条件下，用电化学的方法将原料氮气和水转化成氨，引起了广泛的研究兴趣。而电化学合成氨的关键是要设计一种高催化活性和高选择性的催化剂。最近的一些研究指出，贵金属特别是金和钯展现出了优异的电化学合成氨的性能，但是实际的产氨速率和法拉第效率依旧无法满足工业化生产(M.Iwamoto,M.Akiyama,K.Aihara,T.Deguchi,ACS Catal.2017,7,6924；S.J.Li,D.Bao,M.M.Shi,B.R.Wulan,J.M.Yan,Q.Jiang,Adv.Mater.2017,29；H.Wang,H.Yu,Z.Wang,Y.Li,Y.Xu,X.Li,H.Xue,L.Wang,Small 2019,15,e1804769；J.Wang,L.Yu,L.Hu,G.Chen,H.Xin,X.Feng,Nat.Commun.2018,9,1795)。为了进一步改善电化学合成氨的性能，调整催化剂的结构和组成是一个有吸引力的策略。多孔贵金属因为拥有孔道结构和高比表面积在催化领域得到了广泛的研究。传统的多孔贵金属合成方法有去合金法和硬模板法，然而，它们通常涉及复杂的合成过程并且难以控制孔隙大小。在我们之前的工作中，我们以嵌段共聚物为软模板，通过胶束自组装的方法合成了一系列介孔铂基材料。不幸的是，大多数多孔金属催化剂在电催化应用中要使用聚合物粘结剂与电极结合，从而导致其导电性和催化活性降低。为了解决这些问题，直接在导电基底上制备多孔金属材料具有广阔的应用前景。最近，我们已经证明了一种胶束辅助置换法能在泡沫镍表面合成介孔铂基薄膜。与铂不同，由于难以控制前驱体的还原速率和胶束中金的生长，在导电基底上制备自支撑多孔金薄膜仍然是一个很大的挑战。

(三)发明内容

本发明涉及一种自支撑介孔金钯合金薄膜电化学合成氨催化剂及其制备方法，利用嵌段共聚物，在泡沫镍上生长介孔金钯薄膜，该材料表现出了很好的电化学合成氨性能，该催化剂可用于电催化合成氨反应的研究。

本发明采用的技术方案是：

一种自支撑介孔金钯薄膜电化学合成氨催化剂，由如下方法制备：

(1)取一块面积为0.1～6cm²的泡沫镍，在浓度为1～6M的盐酸溶液中浸泡5～30min除去表面氧化层和杂质，用乙醇和水洗涤后干燥；

(2)分别配置浓度为5～50mM的氯金酸和氯钯酸钠溶液备用；