1.本发明涉及催化剂制备技术领域，尤其涉及一种氮还原反应用催化剂的制备方法。
背景技术：2.氨作为一种重要的化工产品，在农业生产、储能运输、绿色能源发展等领域具有良好的应用前景。目前，我国90％以上的氨来自haber-bosch工艺，但是该工艺反应条件极其苛刻，能耗高，碳排放量大，安全性差。这种高能耗、高碳的生产模式已经严重改变了我们赖以生存的环境，导致极端天气日益频繁，由此可见研究能够替代haber-bosch工艺合成氨的新方法对于工业生产以及人类可持续发展具有重要意义。
3.现今光催化合成氨、电催化合成氨、低温等离子体合成氨和热催化合成氨是温和条件下合成氨的主要研究方向。考虑氨的需求量巨大，需要规模化生产，对氨产率、能源利用效率和技术成熟度等要求较高，在现有的化工体系下，热催化合成氨工艺最为适宜，只需制备高效的反应热催化剂，就能改良传统的多相热催化工艺，实现常温常压合成氨。在热催化合成氨发展中负载型ru基催化剂、金属间电子化合物、金属氮化物和金属氢化物催化剂等推陈出新，但利弊共存，仍存在nrr反应产率偏低，生产规模远未达到工业要求的问题。因此，制备一种能耗较低、反应条件温和、制备条件简单的高效nrr反应热催化剂应用于实际生产依旧迫在眉睫。
技术实现要素：4.有鉴于此，本发明提供了一种氮还原反应用催化剂的制备方法，构建了碳氮负载的金属原子级活性位点催化剂(m/cn-b催化剂，其中m为催化剂中负载的金属元素)，使用杂原子掺杂改性提高了催化剂的活性。实现一个大气压下，在反应温度相对温和的条件下氮气催化加氢还原合成氨，同时大幅降低合成氨的能耗与污染，进一步实现绿色生产。
5.本发明提供的氮还原反应用催化剂的制备方法，所述催化剂采用液相一锅法制备而成，包括以下步骤：
6.s1、称取氮源、碳源、硼源、金属源混合，加入乙醇和去离子水，超声混合均匀后得到混合溶液；
7.s2、将所述混合溶液置于真空干燥箱中，先在80～100℃温度下反应30～40min，然后再升温至150～200℃继续烘干60～90min，形成蓬松多孔的结构；冷却至室温后进行研磨，过20～40目筛，得到均匀的粉末；
8.s3、将步骤s2得到的粉末装入加盖的坩埚中，在350～650℃下煅烧60～90min，以升温速率为4～10℃
·
min-1
升温，至350～650℃后保持90～150min，随后自然冷却至室温，形成块状样品；
9.s4、取出所述块状样品研磨，过40～70目筛，然后转移至管式炉中，在氮气保护下，升温至600～1000℃煅烧100～180min，然后自然冷却至室温，即得到所述催化剂。
10.优选的，步骤s1所述氮源为双氰胺、三聚氰胺、乙二胺四乙酸、尿素中的任意一种。
11.优选的，步骤s1所述碳源为葡萄糖、乙二胺四乙酸、碳化秸秆、可溶性淀粉中的任意一种。
12.优选的，步骤s1所述硼源为硼酸、硼酸盐中的任意一种。
13.优选的，步骤s1所述金属源为氯化钯、六水合硝酸镍中的任意一种。
14.优选的，步骤s1所述碳源与氮源的质量比为1～12：5；所述硼源的添加量为碳源和氮源总质量的2.5～15％；金属源的添加量为碳源和氮源总质量的1～4.5％。
15.优选的，步骤s1所述乙醇与氮源的体积质量比为2～12ml/g；所述去离子水与氮源的体积质量比为1～9ml/g。
16.优选的，步骤s4所述升温的速率为6～12℃
·
min-1
，所述氮气流量80～120ml
·
min-1
。
17.本发明的另一目的是提供一种上述方法制备的氮还原反应用催化剂，所述催化剂具有原子级活性位点，记为m/cn-b。
18.本发明制备的氮还原反应用催化剂可用于温和条件下氮还原反应合成氨，反应压力为一个大气压，反应温度为80℃。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明公开了一种氮还原反应用催化剂的制备方法，通过构建具有m/cn-b原子级活性位点的催化剂，实现了对氮气氢气分子的高效活化。碳源和氮源共热解形成的氮掺杂碳结构载体，具有巨大的比表面积，且富含缺陷位点，实现了对氮气分子的吸附及活化；负载的活性相金属原子实现了对氢气分子的活化；非金属元素硼元素掺入后会形成高温下较稳定的cn-b载体，对温和条件下合成氨有促进作用。从而制备出可在温和条件下合成氨的原子级活性位点催化剂。
具体实施方式
21.本发明提供了一种温和条件下合成氨的原子级活性位点催化剂的制备方法，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例。下述实施例中所述试验方法或测试方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述原料和助剂，如无特殊说明，均从常规商业途径获得，或以常规方法制备。
22.实施例1
23.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
24.s1、准确称量1.26g三聚氰胺、2.70葡萄糖、0.49g硼酸、0.1634g六水合硝酸镍置于烧杯中，加入10ml乙醇和10ml去离子水，搅拌均匀，并进行超声30min，得到混合溶液；
25.s2、将步骤s1中得到的混合溶液置于100℃真空干燥箱中反应30min，将烘箱温度升值180℃继续烘干70min，形成蓬松多孔的结构；取出已烘干的样品冷却至室温，置于研钵中研磨，过40目筛，得到均匀粉末；
26.s3、将步骤s2中得到的粉末置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，在500℃下煅烧80min，以升温速率为6℃
·
min-1
升温，至500℃后保持120min，随后自然冷却至室温，形成块状样品；
27.s4、取出步骤s3中的块状样品研磨均匀，过70目筛，然后转移至管式炉中，在氮气存在下，升温至700℃煅烧120min，氮气流量100ml
·
min-1
，升温速率为6℃
·
min-1
，待其自然冷却至室温，得到所述催化剂ni/cn-b，记为a。
28.实施例2
29.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
30.s1、准确称量8.76g乙二胺四乙酸(作为碳源、氮源)，0.25g硼酸钠、0.2451g六水合硝酸镍置于烧杯中，加入20ml乙醇和15ml去离子水，搅拌均匀，并进行超声40min，得到混合溶液；
31.s2、将步骤s1中得到的混合溶液置于90℃真空干燥箱中反应40min，将烘箱温度升值150℃继续烘干100min，形成蓬松多孔的结构；取出已烘干的样品冷却至室温，置于研钵中研磨，过30目筛，得到均匀粉末；
32.s3、将步骤s2中得到的粉末置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，在400℃下煅烧90min，以升温速率为4℃
·
min-1
升温，至400℃后保持150min，随后自然冷却至室温，形成块状样品；
33.s4、取出步骤s3中的块状样品研磨均匀，过50目筛，然后转移至管式炉中，在氮气存在下，升温至600℃煅烧180min，氮气流量80ml
·
min-1
，升温速率为8℃
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min-1
，待其自然冷却至室温，得到所述催化剂ni/cn-b，记为b。
34.实施例3
35.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
36.s1、准确称量1.80g尿素、4.05g水溶性淀粉、0.47g硼酸、0.06g氯化钯置于烧杯中，加入10ml乙醇和15ml去离子水，搅拌均匀，并进行超声50min，得到混合溶液；
37.s2、将步骤s1中得到的混合溶液置于100℃真空干燥箱中反应30min，将烘箱温度升值190℃继续烘干60min，形成蓬松多孔的结构；取出已烘干的样品冷却至室温，置于研钵中研磨，过40目筛，得到均匀粉末；
38.s3、将步骤s2中得到的粉末置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，在650℃下煅烧60min，以升温速率为10℃
·
min-1
升温，至650℃后保持90min，随后自然冷却至室温，形成块状样品；
39.s4、取出步骤s3中的块状样品研磨均匀，过70目筛，然后转移至管式炉中，在氮气存在下，升温至1000℃煅烧100min，氮气流量110ml
·
min-1
，升温速率为10℃
·
min-1
，待其自然冷却至室温，得到所述催化剂pd/cn-b，记为c。
40.实施例4
41.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
42.s1、准确称量1.26g双氰胺、0.36g碳化秸秆、0.24g硼酸钠、0.04g氯化钯置于烧杯中，加入15ml乙醇和10ml去离子水，搅拌均匀，并进行超声60min，得到混合溶液；
43.s2、将步骤s1中得到的混合溶液置于90℃真空干燥箱中反应40min，将烘箱温度升值160℃继续烘干90min，形成蓬松多孔的结构；取出已烘干的样品冷却至室温，置于研钵中研磨，过20目筛，得到均匀粉末；
44.s3、将步骤s2中得到的粉末置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，在600℃下煅烧80min，以升温速率为8℃
·
min-1
升温，至600℃后保持110min，随后自然冷却至室温，形成块
状样品；
45.s4、取出步骤s3中的块状样品研磨均匀，过40目筛，然后转移至管式炉中，在氮气存在下，升温至800℃煅烧160min，氮气流量120ml
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min-1
，升温速率为12℃
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min-1
，待其自然冷却至室温，得到所述催化剂pd/cn-b，记为d。
46.对比例1
47.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
48.s1、准确称量0.1634g六水合硝酸镍、0.31g硼酸置于烧杯中，溶于10ml乙醇和10ml去离子水溶液中，搅拌均匀。
49.s2、准确称量1.26g三聚氰胺、2.70g葡萄糖置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，500℃下煅烧80min，以升温速率6℃
·
min-1
升温，至500℃后保持2h，随后待其自然冷却至室温，取出块状样品研磨成均匀的粉末。
50.s3、将步骤s2得到的研磨后粉末加入s1得到的溶液中，70℃磁力搅拌5h。将反应后的样品取出，转移至管式炉中煅烧，氮气流量100ml
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min-1
，煅烧温度600℃下煅烧2h，升温速率约为6℃
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min-1
，保持2h，待其自然冷却至室温，得到催化剂ni/cn-b，记为e。
51.对比例2
52.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
53.s1、准确称量2.04gγ-al2o3、2.70葡萄糖、0.31g硼酸、0.1634g六水合硝酸镍置于烧杯中，加入10ml乙醇和10ml去离子水，搅拌均匀，并进行超声30min；
54.s2、将步骤s1中得到的混合溶液置于100℃真空干燥箱中反应30min，将烘箱温度升值180℃继续烘干70min，形成蓬松多孔的结构；取出已烘干的催化剂样品冷却至室温，置于研钵中研磨成均匀粉末，过40目筛；
55.s3、将步骤s2中得到的催化剂粉末置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，在500℃下煅烧80min，以升温速率6℃
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min-1
升温，至500℃后保持120min，随后自然冷却至室温；
56.s4、取出块状样品研磨均匀，过70目筛，然后转移至管式炉继续以中700℃煅烧120min，氮气流量100ml
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min-1
，升温速率为6℃
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min-1
，待其自然冷却至室温，得到催化剂ni/γ-al2o3d-b，记为f。
57.对比例3
58.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
59.s1、准确称量1.26g三聚氰胺、2.70葡萄糖、0.29g氯化钠、0.1631g六水合硝酸钴置于烧杯中，加入10ml乙醇和10ml去离子水，搅拌均匀，并进行超声30min。
60.s2、将步骤s1中得到的混合溶液置于100℃真空干燥箱中反应30min，将烘箱温度升值180℃继续烘干70min，形成蓬松多孔的结构；取出已烘干的催化剂样品冷却至室温，置于研钵中研磨成均匀粉末，过40目筛；
61.s3、将步骤s2中得到的催化剂粉末置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，在500℃下煅烧80min，以升温速率6℃
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min-1
升温，至500℃后保持120min，随后待其自然冷却至室温；
62.s4、取出块状样品研磨均匀，过70目筛，然后转移至管式炉继续以中700℃煅烧120min，氮气流量100ml
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min-1
，升温速率为6℃
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min-1
，待其自然冷却至室温，得到催化剂co/cn-cl，记为g。
63.对比例4
64.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，步骤如下：
65.s1、准确称量1.26g三聚氰胺、2.70葡萄糖、0.87磷酸氢二钾、0.2386g九水硝酸铁置于烧杯中，加入10ml乙醇和10ml去离子水，搅拌均匀，并进行超声30min；
66.s2、将步骤s1中得到的混合溶液置于100℃真空干燥箱中反应30min，将烘箱温度升值180℃继续烘干70min，形成蓬松多孔的结构；取出已烘干的催化剂样品冷却至室温，置于研钵中研磨成均匀粉末，过40目筛；
67.s3、将步骤s2中得到的催化剂粉末置于加盖的坩埚中，放入马弗炉，在500℃下煅烧80min，以升温速率为6℃
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min-1
升温，，至500℃后保持120min，随后待其自然冷却至室温；
68.s4、取出块状样品研磨均匀，过70目筛，然后转移至管式炉继续以中700℃煅烧120min，氮气流量100ml
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min-1
，升温速率为6℃
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min-1
，待其自然冷却至室温，得到催化剂fe/cn-p，记为h。
69.将实施例1～4以及对比实施例1～4制备的催化剂装入反应装置中，用于催化还原合成氨，其反应条件为氮气流量10ml
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min-1
，氢气流量30ml
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min-1
，反应压力为一个大气压，反应温度为80℃，反应时间为10h，采用纳氏试剂分光光度法对氨浓度进行检测。催化活性见表1：
70.表1
[0071][0072][0073]
从表1中能够看出，本发明所制备的m/cn-b催化剂，可以在80℃的相对温和条件下制备氨，具有较高的产率。其中实施例1制备的ni/cn-b催化剂产率相较于掺杂其他元素的催化剂更可观，氨气的产率可以达到0.93。
[0074]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，所述催化剂采用液相一锅法制备而成，包括以下步骤：s1、称取氮源、碳源、硼源、金属源混合，加入乙醇和去离子水，超声混合均匀后得到混合溶液；s2、将所述混合溶液置于真空干燥箱中，先在80～100℃温度下反应30～40min，然后再升温至150～200℃继续烘干60～90min，形成蓬松多孔的结构；冷却至室温后进行研磨，过20～40目筛，得到均匀的粉末；s3、将步骤s2得到的粉末装入加盖的坩埚中，在350～650℃下煅烧60～90min，以升温速率为4～10℃
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min-1
升温，至350～650℃后保持90～150min，随后自然冷却至室温，形成块状样品；s4、取出所述块状样品研磨，过40～70目筛，然后转移至管式炉中，在氮气保护下，升温至600～1000℃煅烧100～180min，然后自然冷却至室温，即得到所述催化剂。2.根据权利要求1所述氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1所述氮源为双氰胺、三聚氰胺、乙二胺四乙酸、尿素中的任意一种。3.根据权利要求1所述氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1所述碳源为葡萄糖、乙二胺四乙酸、碳化秸秆、可溶性淀粉中的任意一种。4.根据权利要求1所述氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1所述硼源为硼酸、硼酸盐中的任意一种。5.根据权利要求1所述氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1所述金属源为氯化钯、六水合硝酸镍中的任意一种。6.根据权利要求1所述温氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1所述碳源与氮源的质量比为1～12：5；所述硼源的添加量为碳源和氮源总质量的2.5～15％；金属源的添加量为碳源和氮源总质量的1～4.5％。7.根据权利要求1所述氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1所述乙醇与氮源的体积质量比为2～12ml/g；所述去离子水与氮源的体积质量比为1～9ml/g。8.根据权利要求1所述氮还原反应用催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s4所述升温的速率为6～12℃
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min-1
，所述氮气流量80～120ml
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min-1
。9.一种氮还原反应用催化剂，其特征在于，利用权利要求1～8任意一项所述的方法制备而成，所述催化剂具有原子级活性位点。10.根据权利要求9所述的氮还原反应用催化剂的应用，其特征在于，所述催化剂可用于温和条件下氮还原反应合成氨，反应压力为一个大气压，反应温度为80℃。
技术总结本发明提供了一种氮还原反应用催化剂及其制备方法，属于催化剂制备技术领域。本发明的催化剂是采用液相一锅法制备而成，其中碳源和氮源共热解形成的氮掺杂碳结构载体，该载体具有巨大的比表面积且富含缺陷位点，实现了对氮气分子的吸附及活化。本发明所述催化剂中负载的活性相金属原子实现了对氢气分子的活化，同时非金属元素硼元素掺入后会形成高温下较稳定的CN-B载体，对温和条件下合成氨有促进作用。本发明所制备的催化剂能够在一个大气压温和的反应条件下高效合成氨。和的反应条件下高效合成氨。
技术研发人员：丁辉 赵瑞 赵丹 徐曦萌
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.04.06
技术公布日：2022/7/4
