[发明专利]石墨烯复合材料合成氨催化剂及制备方法和制备氨气方法

说明书

本发明属于合成氨催化剂技术领域，具体涉及石墨烯复合材料合成氨催化剂及制备方法和制备氨气方法，包括含有石墨烯复合金属氧化物和石墨烯复合金属氢化物，先通过金属氢化物拓扑还原引入H^‑后形成石墨烯复合氧氢化合物，然后通过金属化合物溶液引入金属基形成具有催化活性的金属基石墨烯复合氧氢化合物。石墨烯复合材料发展了具有在300‑500℃下，0.1至5兆帕下稳定高效合成氨的新型催化材料，该新型催化材料相对于传统的贵金属催化剂具有显著的经济效益。本发明的石墨烯复合氧氢化合物具有高催化活性，能够实现相较于常规氨气合成的数倍合成率。催化剂用量小，甚至在低温下进行反应。因此，也有利于对反应的控制。

技术领域

本发明属于合成氨催化剂技术领域，具体涉及石墨烯复合材料合成氨催化剂及制备方法和制备氨气方法。

背景技术

氨的合成是化学工业和Haber-Bosch方法最基础的过程，广泛的使用氧化铁催化剂和氢氧化钾促进剂。这个方法在100多年中并没有任何变化。在Haber-Bosch方法中的氨合成，主要在高温(300℃-500℃)，高压(20-40MPa)的条件下，利用N₂和H₂在催化剂表面合成。氨合成反应使用N₂和H₂作为原料，表示为然而这个反应是热力学反应，因此，为了更好的使平衡右移，采取低温是更好的办法。

然而，N≡N具有极强的惰性性质，因此氮和氢之间的反应极其缓慢。因此开发一种破坏N≡N的活性催化剂是十分重要的。Haber等人利用铁矿石作为催化剂。这种铁矿石的主要成分是氧化铁，氧化铝，氧化钾。在Haber-Bosch方法中，氧化铁在反应堆中作为催化剂。然而，实际上真正起反应的是金属铁与氢的还原反应。铝作为一种载体并没有减少和防止铁颗粒烧结，氧化钾将电子贡献给铁去增强催化能力。

有鉴于此：本发明提出一种石墨烯复合材料合成氨催化剂及制备方法和制备氨气方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供石墨烯复合材料合成氨催化剂及制备方法和制备氨气方法，可在较低温度(300-500℃)将氨气实现与氮气和氢气的催化合成，具有极好的稳定性，制备过程简单且应用广泛。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

石墨烯复合材料合成氨催化剂，包括含有石墨烯复合金属氧化物和石墨烯复合金属氢化物，先通过金属氢化物拓扑还原引入H^-后形成石墨烯复合氧氢化合物，然后通过金属化合物溶液引入金属基形成具有催化活性的金属基石墨烯复合氧氢化合物。

进一步，所述石墨烯复合金属氧化物为有空位的石墨烯和金属氧化物通过水热法制备得到。

进一步，石墨烯复合金属氢化物为有空位的石墨烯和金属氢化物通过水热法制备得到。

进一步，所述有空位的石墨烯的制备方法如下：通过氧化石墨烯，以苯为额外碳源，在真空反应炉以及氮气气氛保护下400-600℃高温下热解，得到有空位的石墨烯。

进一步，所述金属氧化物为带有Li⁺,、Na⁺,、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Ti⁶⁺、V⁶⁺、Cr³⁺、Mn²⁺、Fe³⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Al³⁺或Ga³⁺一种或多种的上述金属离子组成的氧化物。

进一步，所述金属氢化物为NaH、KH、MgH₂或CaH₂的一种或多种。