[发明专利]一种电化学合成氨的方法

说明书

本申请公开了一种电化学合成氨的方法，至少包括以下步骤：向含有电解液和电极的电解池中通入氮气发生固氮反应，再通入氢气发生加氢反应，得到NH₃。本申请采用“化学链”的方式进行电化学合成氨，即将合成氨过程分为固氮和加氢产氨两步进行，首先阴极活化的N^3‑与碱(土)金属氢化物发生化学反应生成相应的碱(土)金属亚氨基化合物Li₂NH、BaNH、CaNH和MgNH，氢气在阳极氧化成质子与亚氨基化合物反应生成NH₃，再生碱(土)金属氢化物，完成循环。该过程可用于常压下的熔融盐电化学合成氨，操作简单，可以在200～550℃温度下进行反应，产氨速率不低于1500μmol/g/h。

技术领域

本申请属于电化学合成氨领域，具体涉及一种电化学合成氨的方法。

背景技术

氨是生产化肥、硝酸、塑料、医药等重要化工产品的基本原料，同时也是一种具有潜在应用前景的氢源载体，因而氨的合成和分解在工业上具有十分重要的意义。氮气和氢气在过渡金属上的催化转化是工业合成氨的主要方式，目前主要采用的工业流程为Haber-Bosch过程。该过程氨合成的反应条件苛刻(铁基催化剂：350-525℃，100-300atm)，对设备要求很高，因而能耗很高，每年消耗的能源是世界每年能源消耗总量的1％。目前工业上广泛用于合成氨的催化剂仍然是为铁基、钌基催化剂，然而几十年来，合成氨的效率并未得到显著的改善和提高，反应条件依然需要高温高压。因而开发温和条件下高效合成氨过程仍然是当前十分重要的研究课题。

与传统的Haber-Bosch工艺相比，电化学合成技术具有电能可来自可再生资源如风能、太阳能及潮汐能，绿色可持续，反应条件适中，可在常温常压下进行，合成氨所需设备成本低，合成过程中可以用水而非化石燃料提供氢源，且原料丰富等众多优点，近年来受到研究者的广泛关注。

化学链(Chemical looping)是一个新兴的研究领域，在化石资源的燃烧、合成气的制备和制氢等领域展现出了优势。近年来，化学链合成氨过程,由于其具有易与可再生能源耦合、常压操作、规避反应物竞争吸附等特点，越来越受到业界的关注。但是利用化学链进行电化学合成氨还鲜有报道，具有很大的研究前景。

在当下的氯化物熔融盐体系中，产氨速率极低，虽然有研究报道添加Li₃N后可以提升产氨速率，但是稳定性很差，材料寿命很短。这些问题制约了氯化物熔融盐电化学合成氨进一步发展。

发明内容

为了克服现有熔融盐电化学合成氨的上述问题以及其它缺陷、缺点和挑战中的一个或多个，本申请提供了一种利用化学链工艺进行的新型熔融盐电化学合成氨过程，具有良好的产氨速率以及稳定性。虽然本申请将结合某些实施例被描述，但本申请并不局限于这些实施例。与此相反，本申请包括在本申请范围内的所有替代、修改和等同方案。

根据本申请的一个方面，体用一种电化学合成氨的方法，至少包括以下步骤：

向含有电解液和电极的电解池中通入氮气发生固氮反应，再通入氢气发生加氢反应，得到NH₃。

所述电解液包括电解质、载氮体和质子源；

所述电解质选自熔融状态下的氯化物或氢氧化物；

可选地，所述熔融状态下的氯化物选自熔融状态下的LiCl、NaCl或KCl中的至少一种；

可选地，所述熔融状态下的氯化物中LiCl摩尔量占50％，NaCl、KCl的摩尔比为0.2～0.8；

所述电解质为熔融状态下的氯化物时，通过以下过程制备：将LiCl、NaCl和KCl分别在200～500℃干燥5h，冷却后转移至手套箱保存。

可选地，所述熔融状态下的氢氧化物选自熔融状态下的LiOH、NaOH或KOH中的至少一种；