[发明专利]电化学催化一氧化氮和二氧化碳合成尿素的方法

说明书

本发明涉及一种电化学催化一氧化氮和二氧化碳合成尿素的方法，包括：通过水相合成法制备碳黑负载的催化剂，之后将所述催化剂负载于碳纸上；将负载有所述催化剂的碳纸用玻碳电极夹固定，作为工作电极，并置于电化学反应池中；将一氧化氮和二氧化碳在确保反应环境无氧的情况下通入电化学反应池中，实现常温常压下电化学催化一氧化氮和二氧化碳合成尿素。与现有技术相比，本发明规避了苛刻的高温高压反应条件，具有效率高，反应条件温和，耗能小的优点，且该反应不受液相反应物消耗的限制，气相反应物可持续补给；以尾气气体一氧化氮和温室气体二氧化碳为原料，合成为具有高附加值的产物尿素，同时为工业生产尿素和环境治理开创了新的方向。

技术领域

本发明涉及一种尿素合成技术，尤其是涉及一种电化学催化一氧化氮和二氧化碳合成尿素的方法。

背景技术

尿素作为已知含氮量最高的氮肥，占氮肥总消耗量的60％，是目前农业上最为主要的氮肥品种，且支撑着全球超四分之一人口的粮食供应。随着世界人口日益增长，人们对尿素的需求也愈发迫切，全球每年近2％的能源都用于尿素合成工业。现阶段受技术发展制约，我国主要采用固定床工艺产煤头尿素，然而该传统方法产能低、污染大。传统工业中高温高压条件下的反应：C+H₂O→CO+H₂(1)；CO+H₂O→CO₂+H₂(2)；N₂+3H₂→3NH₃(3)；2NH₃+CO₂→H₂O+CO(NH₂)₂(4)，导致我国每年在尿素生产上大量的能源消耗。相较于上述传统工艺，电化学催化可在常温常压的温和条件下合成目标产物，更加经济、环保，使其近年来迅速成为一个新兴的尿素合成方向，展现出巨大的应用前景，有望成为一种可替代传统工业合成的新手段。

目前，科学家们主要将目光集中在通过无机小分子的碳氮偶联合成尿素。在该反应中，如何在还原无机小分子的同时，进一步实现碳氮键的耦合是目前电化学催化合成尿素所面临的主要挑战。自上世纪开始，科学家们已经着力于利用溶液中的(1)硝酸根；(2)亚硝酸根；(3)氮气与二氧化碳气体电化学共催化制备尿素，然而液相中的酸根离子会随反应时间而最终耗尽，氮气极为稳定的化学性质又导致反应的选择性难以提升，上述不足限制了这些方法在工业上进一步的规模化应用。另一方面，迄今为止的众多工作中，大多只使用贵金属例如：钯、金、银等作为催化剂，然而储量稀少、价格高昂的贵金属限制了其在工业上大规模的应用。

此外，二氧化碳和一氧化氮分别约占汽车尾气体积的10％和不到1％，而正是氮氧化物污染和温室气体二氧化碳的排放导致了酸雨以及全球变暖，加剧了人类生存环境的恶化。

因此，找到一种成本更为低廉，而又能够将尾气组分氮氧化物和二氧化碳气体小分子持续而稳定地转化为尿素的合成方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，出于对于尿素工艺创新以及环境治理的角度，本发明提供了一种可在常温常压下实现电化学催化一氧化氮和二氧化碳合成尿素的方法，有望进一步拓展至工业、农业、环保领域的实际应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明中电化学催化一氧化氮和二氧化碳合成尿素的方法，包括以下步骤：

S1：通过水相合成法制备碳黑负载的催化剂，之后将所述催化剂负载于碳纸上；

S2：将负载有所述催化剂的碳纸用玻碳电极夹固定，作为工作电极，并置于电化学反应池中，设置参比电极和对电极，并加入电解液；

S3：将一氧化氮和二氧化碳在确保反应环境无氧的情况下通入电化学反应池中，向工作电极施加预设的还原电位，在恒电位条件下反应预设时间，实现常温常压下电化学催化一氧化氮和二氧化碳合成尿素。