[发明专利]一种Fe3

说明书

本发明提供了一种Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;/BC复合电催化剂及其制备方法和应用，属于电催化材料制备技术领域；本发明先用煅烧法制备出含有丰富介孔结构的生物质炭，然后用蒸发法制备了Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;/BC复合电催化剂前驱体，并将其退火得到Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;/BC复合电催化剂；所述Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;/BC复合电催化剂以具有介孔的生物炭为基底，在生物炭上均匀负载Fesubgt;3/subgt;Osubgt;4/subgt;纳米颗粒；复合电催化剂能够应用于室温下电催化硝酸盐还原合成氨。

技术领域

本发明属于电催化材料制备技术领域，具体涉及一种Fe₃O₄/BC复合电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

氨是一种重要的化工原料，是氮肥的主要成分，也是工业中一种绿色的富氢燃料。目前工业上主要用Haber-Bosch法合成氨。Haber-Bosch工艺的创新主要涉及氢气和氮气的不可逆反应。此方法以氢气和氮气为原料，在高温高压环境下才可以获得较为可观的产氨效率。但此种方法消耗了大量能源，给全球能源供应带来了巨大负担，生产过程中还会产生大量温室气体，对全球环境造成了严重威胁。受微生物固氮的启发，电催化将氮气还原为氨受到越来越多研究人员的关注。虽然电催化氮气还原技术得到了广泛的应用，但是氮气分子中高能N≡N键的断裂和伴生析氢反应控制一直是难以攻克的难题，这使得电催化氮气还原的效率和能量转换率较低。

硝酸盐(NO₃^-)电催化还原，由于其反应中存在的N＝O键解离较低且自然界中面临的大量硝酸盐污染问题而备受关注。因此，电催化硝酸盐合成氨是一种比较有前景的策略。电催化硝酸盐合成氨涉及八电子反应途径，需要-1.20V的反应电势(相对于可逆氢电极)，这显著降低了总动力学速率。而将硝酸盐还原为氮气需要-1.25V的反应电势(相对于可逆氢电极)，涉及五电子反应途径，这不可避免地会降低合成氨的法拉第效率和能量效率。此外，析氢反应作为竞争反应，生成的氢气也会消耗电子供体，不利于硝酸盐还原为氨的进行。因此，通过优化催化剂的反应活性位点，抑制竞争反应的进行，以促进硝酸盐的吸附和活化是设计出合适的合成氨电催化剂的良好策略。

铁基催化剂被广泛应用于氨的电催化合成，Fe作为过渡金属存在，其d电子轨道未填充，它可以接受孤电子对。同时，其表面可以吸附硝酸盐离子，削弱其中的键能，促进电催化硝酸盐还原。Fe₃O₄作为一种新型的金属氧化物电催化剂，具有价格相对经济、结构和性质较稳定等诸多优点，使其具有广阔的应用前景。但是由于Fe₃O₄催化剂的电子转移性能和反应活性位点不足，这限制了Fe₃O₄催化剂电催化还原硝酸盐的效率。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种Fe₃O₄/BC复合电催化剂及其制备方法和应用；本发明先用煅烧法制备出含有丰富介孔结构的生物质炭，然后用蒸发法制备了Fe₃O₄/BC复合电催化剂前驱体，并将其退火得到Fe₃O₄/BC复合电催化剂；所述Fe₃O₄/BC复合电催化剂以具有介孔的生物炭为基底，在生物炭上均匀负载Fe₃O₄纳米颗粒；复合电催化剂能够应用于室温下电催化硝酸盐还原合成氨

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。