CN111790428B - 一种Co基间隙化合物催化剂和制备方法及其在合成氨上的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于催化剂材料制备领域，具体涉及一种Co基间隙化合物的制备及其在温和条件下合成氨性能的应用，该催化剂主要包含CoxN及ZrH2。本发明通过简单的N化的温度和气氛的调控，获得不同Co/N摩尔比的CoxN间隙化合物，通过简单的球磨方法与ZrH2进行混合，获得的Co4N‑50 wt.%ZrH2在400℃和3 MPa的氨合成反应速率达到了6.6 mmolNH3/(gcat·h)，是Co4N的2.3倍。本发明提供的催化剂制备方法极其简单，且获得的催化剂具有极高的机械强度，在温和条件下可以通过化学链合成氨，呈现出出良好的工业应用前景，具有明显的工业应用价值。

Description

一种Co基间隙化合物催化剂和制备方法及其在合成氨上的 应用
技术领域
本发明涉及催化剂材料制备领域，具体涉及一种Co基间隙化合物的制备及其在温和条件下合成氨性能的应用及其化学链合成氨的应用。
背景技术
氨(NH3)是重要的化工产品和氮肥的主要原料，供养了世界约50%的人口，氨亦是氢能源的载体。目前，工业合成氨主要采用铁基(活性组分主要是Fe3O4或Fe1-xO)催化剂，在高温(450~510 oC)和高压(15.0~32.0 MPa)进行合成氨(N2+3H2
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2NH3)[1, 2]。相比于Fe催化剂，虽然目前Ru催化剂可以在相对低温(430 oC)和低压(9.5-10.5 MPa)下合成氨，但由于Ru是贵金属，价格昂贵，且地球上的储量有限。因此，如何设计开发出新型非贵金属基高性能催化剂并实现在温和条件下合成氨成为最具挑战性的课题之一。
合成氨反应主要包括以下三个步骤[3]：(1) N2 [N2→2N(ad)]的吸附与解离；(2)吸附物种[N(ad)+H(ad)→NH(ad)]的表面反应；(3)反应产物NH3的解吸。目前普遍认为第(1)步中N2的解离活化是合成氨反应的决速步骤，归因于N≡N键的高解离能(945 kJ/mol)[4, 5]。近年来，研究者发现一些d区非贵金属元素如Co[6,7]﹑Mo[8]和Ni[9, 10]等在合成氨反应中呈现出较好的催化性能，它们表面N2的吸附能与合成氨的转化频率之间存在着“火山型”曲线关系。研究表明，在合成氨反应中，反应的能垒与中间物种NHx(x = 0,1,2)的吸附能之间存在着限制关系[11, 12]。因此，要实现在温和条件下合成氨，关键在于设计制备出新型高性能的催化剂来打破N≡N键的解离活化能和中间物种键能之间的限制关系[12,13]。近年来，有研究通过Co﹑Mo和Ni等的表面形貌修饰﹑添加碱(土)金属(K2O，Cs2O或BaOx)来促进N2的解离[6, 8]。但这些改性方法制备的催化剂并未打破N2解离活化能与中间物种键能间的限制关系，因此，这些催化剂在合成氨反应中仍需较高的温度(≥400 oC)和压力(~9.0 MPa)。
事实上，若将合成氨过程解耦为N化(或H化)和加H(或加N)两个步骤后生成NH3，即化学链过程，是打破过渡金属催化剂上限制关系难题的有效解决途径。我们注意到，一方面，Co位于“火山型”曲线的右侧，其N2解离的能垒较大。若合成氨反应的中间物种N填充到Co金属结构的间隙中，形成具有金属性质、不与水反应和高稳定性的CoxN(x>1)间隙化合物(间隙化合物：由过渡族金属元素与氮﹑硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物)。CoxN间隙化合物具有氮离子/空位、电子/空穴、N物种在体相内易传递和丰富的表面反应位点等特点；同时，CoxN晶格中的N还可通过NH3再生，实现以结合中间物种“N”为中心的化学链循环过程。另一方面，在合成氨反应中，ZrH2表面的H原子由于体积较小，在表面易快速迁移，形成的Zr-H较容易将吸附在CoxN空位上的N2活化成*NH或*NH2，继而快速生成NH3并释放出N的空位，形成新的N2活化中心，实现以N为中心通过CoxN循环的化学链合成氨过程。
本发明专利通过N化方式和N化时间的调控，合成了CoxN间隙化合物，并通过简单的球磨方式，将CoxN与ZrH2进行混合，通过调节CoxN与ZrH2的质量比，即可以获得不同质量比的CoxN-ZrH2混合物，获得的CoxN-ZrH2可以通过化学链在温和条件下合成氨，且打破了合成氨反应中存在的限制性关系。
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发明内容
本发明提供了一种Co基间隙化合物的制备及其在温和条件下合成氨性能的应用及其化学链合成氨的应用。本发明提供的催化剂制备方法极其简单，且获得的催化剂具有极高的机械强度，在温和条件下可以通过化学链合成氨，呈现出出良好的工业应用前景，具有明显的工业应用价值。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种Co基间隙化合物催化剂，该催化剂组成为CoxN、或者CoxN和ZrH2；其中X为Co与N的摩尔比，范围为2-25。
进一步地，优选的Co与N摩尔比为4:1。
进一步地，ZrH2占催化剂的质量分数为0-50 wt.%，优选ZrH2的质量分数为50wt.%。
进一步地，其中所述CoxN合成步骤如下：
（1）在剧烈搅拌下将0.29 g Co(NO3)2·6H2O，0.093 g NH4F和0.30 g尿素溶解在35 mL去离子水中10-60 min；优选30 min；
（2）将溶液转移到不锈钢高压釜中，在100-120 ℃下保持4-12 h；优选在120 ℃下保持6 h；
（3）去离子水洗涤,并干燥；
（4）然后在550-750 ℃，NH3气氛下的管式炉中处理2-6 h；优选650 ℃，NH3气氛下的管式炉中处理4 h。
一种Co基间隙化合物催化剂，该催化剂组成为CoxN和ZrH2时候，具体制备是由不同质量比的ZrH2与CoxN混合在研钵中，通过简单的固体球磨的方法；200转/分钟下球磨1小时获得CoxN-ZrH2的复合物。
进一步地，通过表面等温瞬态实验发现，CoxN中的N可以在10%H2/Ar氛围下消耗并产生氨，消耗的N物种可以在NH3氛围下处理2 h即可获得再生。
进一步地，CoxN-ZrH2的复合物在惰性气氛下产生氨气，惰性气氛可以包括Ar、He等，优选Ar，被消耗的N和H物种可以通过合成氨的原料气体N2+H2氛围下再生，优选N2与H2的体积比为1:3。
本发明所得的CoxN间隙化合物催化剂均可用于温和条件下化学链合成氨反应。
本发明的显著优点在于：
1.本发明首次制备了CoxN间隙化合物并应用于温和条件下的合成氨反应中，相比于传统的合成氨催化剂，CoxN间隙化合物打破了合成氨反应中存在的限制性关系，因此可以在温和条件下获得较优的合成氨性能。
2.本发明通过简单的N化方式和N化条件调控，可以获得不同摩尔比的CoxN间隙化合物，并通过简单的球磨方式就可以获得CoxN与ZrH2的复合物，催化剂的制备方法极其简单，获得的催化剂具有较高的机械及抗压强度，具有明显的工业应用价值。
附图说明
图1为实施例1所得Co4N催化剂的表面等温反应图；
图2为实施例1-4所得催化剂在3 MPa下的合成氨性能图。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
Co4N催化剂的制备
（1）在剧烈搅拌下将0.29 g Co(NO3)2·6H2O，0.093 g NH4F和0.30 g尿素溶解在35 mL去离子水中30 min；
（2）将溶液转移到不锈钢高压釜中，在120 ℃下保持6 h；
（3）去离子水洗涤，并干燥；
（4）然后在650 ℃、NH3气氛下的管式炉中处理2 h，得到Co4N粉末。
实施例2
Co4N-10 wt.%ZrH2的制备
在剧烈搅拌下将0.29 g Co(NO3)2·6H2O，0.093 g NH4F和0.30 g尿素溶解在35mL去离子水中30 min；将溶液转移到不锈钢高压釜中，在120 ℃下保持6 h；去离子水洗涤，并干燥；然后在650 ℃、NH3气氛下的管式炉中处理2 h，得到Co4N粉末。
在上述获得的Co4N基础上，将0.11 g的ZrH2与1 gCo4N进行球磨，即可获得Co4N-10wt.%ZrH2。
实施例3
Co4N-25 wt.%ZrH2的制备
在剧烈搅拌下将0.29 g Co(NO3)2·6H2O，0.093 g NH4F和0.30 g尿素溶解在35mL去离子水中30 min；将溶液转移到不锈钢高压釜中，在120 ℃下保持6 h；去离子水洗涤，并干燥；然后在650 ℃、NH3气氛下的管式炉中处理2 h，得到Co4N粉末。
在上述获得的Co4N基础上，将0.33 g的ZrH2与1 gCo4N进行球磨，即可获得Co4N-25wt.%ZrH2。
实施例4
Co4N-50 wt.%ZrH2的制备
在剧烈搅拌下将0.29 g Co(NO3)2·6H2O，0.093 g NH4F和0.30 g尿素溶解在35mL去离子水中30 min；将溶液转移到不锈钢高压釜中，在120 ℃下保持6 h；去离子水洗涤，并干燥；然后在650 ℃、NH3气氛下的管式炉中处理2 h，得到Co4N粉末。
在上述获得的Co4N基础上，将1 g的ZrH2与1 g Co4N进行球磨，即可获得Co4N-50wt.%ZrH2。
化学链合成氨分析：
从图1可以看出，通过在400 ℃的等温表面反应，以Co4N催化剂为例，通入10%H2/Ar，就可以产生NH3，NH3来源于催化剂中N物种与气态的H反应产生，被消耗的N物种留下N缺陷位，在NH3气氛下处理2 h后可以再生，经过再生后的Co4N可以进一步与10%H2/Ar反应产生氨，以此进入下一个循环。
氨合成催化剂性能评价
分别采用实施例催化剂各0.3 g，质量空速60 000 mL/(g·h)，在氨合成催化剂活性测试装置上进行氨合成速率测定，尾气中NH3浓度变化通过离子色谱(ThermoScientific, DIONEX, ICS-600)测定，反应气体组成为：25 %N2-75% H2。在325–400 ℃下测定催化剂的氨合成速率，测试结果见图2。
从图2可以看出，不同质量比的ZrH2催化剂在400 ℃的合成氨性能顺序为Co4N-50wt.%ZrH2 > Co4N-25 wt.%ZrH2 > Co4N > Co4N-10 wt.%ZrH2。Co4N-50 wt.%ZrH2在400 ℃和3 MPa下，合成氨的反应速率达到6.6 mmolNH3/(gcat·h)是Co4N的2.3倍。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种Co基间隙化合物催化剂在温和条件下氨的合成上的应用，其特征在于：该催化剂组成为CoxN、或者CoxN和ZrH2；其中X为Co与N的摩尔比，范围为4；该催化剂组成为CoxN与ZrH2的时候，ZrH2的质量分数为50 wt.%；该催化剂中CoxN合成步骤如下：
（1）在剧烈搅拌下将0.29 g Co(NO3)2·6H2O，0.093 g NH4F和0.30 g尿素溶解在35 mL去离子水中10-60 min；
（2）将溶液转移到不锈钢高压釜中，在100-120 ℃下保持4-12 h；
（3）去离子水洗涤，并干燥；
（4）然后在550-750 ℃、NH3气氛下的管式炉中处理2-6 h，得到CoxN粉末；
其中该催化剂组成为CoxN和ZrH2时候，具体制备方法为将ZrH2与CoxN通过固体球磨；200转/分钟下球磨1小时；获得CoxN-ZrH2的复合物。
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