[发明专利]一种氮掺杂钒钛磁铁矿基电极、制备方法及应用

说明书

本发明提供了用于电化学还原硝酸盐回收氨的氮掺杂钒钛磁铁矿基电极的制备方法，所述制备方法包括：S1，将钒钛磁铁矿与氮源在高温下进行煅烧，得氮掺杂钒钛磁铁矿；S2，将所述氮掺杂钒钛磁铁矿与粘合剂混合，得混合浆液；S3，将所述混合浆液涂抹于载体电极上，得所述氮掺杂钒钛磁铁矿基电极。本发明还提供了一种电化学还原硝酸盐回收氨的方法，包括：将所述的氮掺杂钒钛磁铁矿基电极用于电化学反应装置中；然后采用所述电化学反应装置以电化学反应的方式处理高浓度硝酸盐废水，并回收氨资源。本发明能够同步实现硝酸盐废水的处理和氮资源的回收，且所用原材料来源广、成本低。

技术领域

本发明涉及电化学还原硝酸盐回收氨领域，尤其涉及一种氮掺杂钒钛磁铁矿基电极、制备方法及应用。

背景技术

氨(NH₃)在工业生产中是一种非常重要的原料和产品，在工业氮肥、化纤、炸药等化工产品生产中是重要的基础前驱体。目前，氨的生产主要依赖于Haber-Bosch工艺，也就是在高温高压条件下(300-600℃，150-300atm)以氮气和氢气为原料，在铁或钌等催化剂的作用下合成氨。采用Haber-Bosch工艺产氨，每年消耗的能源约占到全球能源的1％-2％，与此同时还会伴随大量的CO₂副产物生成，据氨能源协会(Ammonia Energy Association)报道，全球每年生产氨的碳排放量占全球碳排放总量的～1.6％。考虑到日益严重的环境问题以及化石燃料的不可再生性，寻求一种更绿色环保的产氨或回收氨方式，有利于社会的可持续发展。

在此背景下，研究者们开发了电催化还原氮气(N₂)产氨，但由于N≡N的键能高(941kJ/mol)，不易断裂，导致电能的利用率低和氨的产率低。与氮气相比，硝酸盐(NO₃^-)中的N-O的键能为207.4kJ/mol，将其转化为氨的反应势垒更低，更具实际应用价值。此外，硝酸盐广泛存在于有色冶炼、化工制药、光伏等行业废水中。因此，废水中的硝酸盐成为一种潜在的氮源用于电化学合成氨。

目前，已有不少关于将硝酸盐转化为氨的报道，但一般处理的硝酸根浓度≤500mgN/L NO₃^-，远低于实际工业废水中硝酸盐浓度。例如，某硝酸钾生产厂排放的废水里亚硝酸盐(NO₂^-)和硝酸盐的含量分别为2640mg N/L和640mg N/L；在核工业中，产生硝酸盐的主要途径是通过硝酸酸洗金属器件，浓度超过50000mg N/L。实现高浓度硝酸盐废水的增值化处理，即硝酸盐电化学还原为氨，既为高浓度硝酸盐工业废水处理增添了选项，也可缓解Haber-Bosch工艺产氨过程排放的CO₂造成的温室效应，助力国家“双碳”战略布局。

此外，电极材料(催化剂)作为电化学还原硝酸盐产氨的核心部件，决定着整个反应的性能，如处理硝酸盐浓度、氨选择性等。因此，高浓度硝酸盐废水处理技术开发的关键在于催化剂的开发，尤其是经济高效的催化剂。

鉴于此，有必要提供一种氮掺杂钒钛磁铁矿基电极、制备方法及应用，以解决或至少缓解上述从高浓硝酸盐废水中回收氨较为困难的缺陷。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种氮掺杂钒钛磁铁矿基电极、制备方法及应用，旨在解决上述从高浓硝酸盐废水中回收氨较为困难的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于电化学还原硝酸盐回收氨的氮掺杂钒钛磁铁矿基电极的制备方法，所述制备方法包括：

S1，将钒钛磁铁矿与氮源在高温下进行煅烧，得氮掺杂钒钛磁铁矿；

S2，将所述氮掺杂钒钛磁铁矿与粘合剂混合，得混合浆液；

S3，将所述混合浆液涂抹于载体电极上，得所述氮掺杂钒钛磁铁矿基电极。

进一步地，所述氮源包括尿素、三聚氰胺和氨气中的其中一种；