一氧化氮膜电化学合成氨的研究

作     者：易慧敏 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘恢

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：膜电解 合成氨 原位分离 气体扩散电极 

摘      要：氨是世界第二大化工产品,传统哈伯工艺合成氨存在能源消耗巨大与环境污染严重的问题,亟待开发合成氨新途径。电化学合成氨具有条件温和、零二氧化碳排放的特点,为氨的生产提供更绿色环保的潜在替代方案。以大气污染物一氧化氮为原料电化学合成氨,不仅降低氨合成能耗,同时减少一氧化氮污染排放,具有污染减排、节能降耗的巨大潜力。针对一氧化氮电化学合成氨过程转化率低与产物分离难的问题,本文提出在膜电极上电化学还原一氧化氮并原位分离产物氨的思路,合成金/聚四氟乙烯(Au/PTFE)与铜/多孔碳(Cu@C/CFP)两种催化剂-气体扩散电极,构建“液相-催化剂-气相产物的三相催化界面,实现高效还原一氧化氮制氨与氨原位分离,初步揭示了一氧化氮转化与氨分离机制,具体结论如下:(1)设计了同时具有一氧化氮催化能力与氨分离性能的Au/PTFE膜电极,实现了60.5%的氨法拉第效率以及37.5%的氨分离率。采用在PTFE表面聚合氧化、原位生长聚多巴胺的方法合成Au/PDA@PTFE膜电极,实现电解性能的提升,法拉第效率与分离率较原有Au/PTFE电极分别提升7%与13.1%。Au基膜电极实现了一氧化氮电还原产氨与氨原位分离,验证了膜电极制备与分离氨的有效性,但仍存在催化效率有限、氨分离率较低、电流密度较小的问题,需要进一步研究解决。(2)为进一步提高膜电极催化一氧化氮产氨的选择性、电流密度及氨分离性能,选用对于一氧化氮还原为氨具有更高选择性的金属Cu作为催化剂。采用聚多巴胺包裹-碳化的方法,合成Cu@C/CFP电极,获得了84.1%的氨法拉第效率、62%的氨分离率以及11.5m A/cm的氨电流密度,实现了氨在膜电极上的高效产生与分离。通过聚多巴胺包裹-碳化的方式,合成碳层包裹的纳米Cu微粒,保留单质Cu的高催化活性,并提升化学稳定性,高活性带来的高电流密度为Cu@C/CFP电极表面局部高p H环境创造条件,包裹后电极上NH分离率由包裹前的30.6%提升至62%。图72幅,表5个,参考文献85篇