一种双组分催化剂及其制备方法和应用

本申请涉及一种双组分催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂。

背景技术：

1、氨是世界上最重要的化工原料之一。氨既可以当成是一种肥料，也是化工上十分重要的中间体。但是就目前来说，工业上氨合成需要在高温高压的条件下实现，使得每年全世界约有1％的能量用于合成氨工业。所以发展温和条件下的高效合成氨催化剂具有非常重要的意义。氮气和氢气在过渡金属上的催化转化是工业合成氨的主要方式，目前主要采用的工业流程为haber-bosch过程。该过程反应条件需要高温高压(铁基催化剂：350-525℃，100-300atm)，反应能耗很高，使得合成氨过程每年消耗的能源能占到世界每年能源消耗总量的1％。几十年来，工业上合成氨反应常用催化剂认为铁基催化剂，只有少部分装置采用了工作条件较温和的钌基催化剂。设法在合成氨过程中有效利用到一些可再生能源，并开发新型低温低压高效的氨合成催化剂体系仍然是当前十分重要的研究课题。

2、综上所述，铁基和钌基两种工业化合成氨催化剂各有利弊，但是目前来说，两种工业化的催化剂仍不能实现低温低压高效合成氨。另外，目前催化剂主要是过渡金属与金属氧化物复合的催化剂，氧化物在其中主要起到载体的作用，并不能提升催化速率。

技术实现思路

1、本申请的目的为提供一种双组分催化剂在合成氨的过程中，可以实现较低的温度和压力下，将氮气和氢气高效转化成氨，并且具有良好的稳定性。

2、根据本申请的一个方面，提供了一种双组分催化剂，包括过渡金属元素和碱土金属氮化物，所述过渡金属元素以金属单质态存在。通过过渡金属与碱土金属氮化物的协同作用，使得双组分催化剂的合成氨活性显著增高。

3、可选地，所述过渡金属元素选自fe、co、ni、cu、ru中的至少一种。

4、可选地，所述碱土金属氮化物选自mg3n2和ca3n2中的至少一种。

5、可选地，所述过渡金属元素与碱土金属氮化物的质量比为1:0.1～10。

6、可选地，所述过渡金属元素与碱土金属氮化物的质量比为1:0.1、1:0.2、1:2、1:4、1:5、1:10中的任意比值或两比值之间的范围值。

7、根据本申请的再一方面，提供了上述催化剂的制备方法，在非活性气氛中，将含有过渡金属元素和碱土金属氮化物的混合物通过机械研磨方法进行分散负载，得到所述催化剂。

8、可选地，所述机械研磨包括研钵研磨或机械球磨。

9、可选地，所述研钵研磨的时间为0.1～2h。

10、可选地，所述研钵研磨的时间选自0.1h、0.5h、1h、1.5h、2h中的任意值或两值之间的范围值。

11、可选地，所述机械球磨的转速为50～300转/分钟，所述机械球磨的时间为2～24h，其中机械球磨在不锈钢球磨罐中进行。

12、可选地，所述机械球磨的转速为50转/分钟、100转/分钟、150转/分钟、250转/分钟、300转/分钟中的任意值或两值之间的范围值。

13、可选地，所述非活性气氛选自氮气、氩气、氦气中的至少一种。

14、根据本申请的又一个方面，提供了一种合成氨的制备方法，将含有氮气和氢气的混合气体在催化剂的存在下，反应，合成氨，其中催化剂采用上述催化剂或根据上述制备方法得到的催化剂。

15、可选地，所述反应的温度为100～500℃，反应的压力为1～30atm。

16、可选地，所述反应的温度上限选自500℃、450℃、400℃、350℃、300℃、250℃、200℃、150℃，下限选自100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃。

17、可选地，所述反应的压力上限选自30atm、27atm、25atm、20atm、15atm，下线选自1atm、5atm、7atm、10atm、15atm。

18、可选地，所述混合气体中氮气与氢气的体积比为100:1～1:100。

19、可选地，所述混合气体中氮气与氢气的体积比选自100:1、50:1、1:1、1:3、1:50、1:100中的任意比值或两比值之间的范围值。

20、可选地，所述混合气体的气体流速为1.2～2.4l/h。

21、可选地，所述混合气体的气体流速选自1.2l/h、1.5l/h、1.8l/h、2.1l/h、2.4l/h中的任意值或两值之间的范围值。

22、本申请能产生的有益效果包括：

23、1)本申请所提供的催化剂，过渡金属与碱土金属氮化物相互协同作用，使催化剂的活性明显提高，且催化剂稳定性好。

24、2)本申请所提供的催化剂的制备方法，具有金属分散性好、制备成本低，制备过程简单，易于大量制备。

25、3)本申请所提供的合成氨的制备方法，通过使用本申请的双组分催化剂，合成氨可在较低温度和压力的条件下进行。

技术特征：

1.一种双组分催化剂，其特征在于，包括过渡金属元素和碱土金属氮化物，所述过渡金属元素以金属单质态存在。

2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述过渡金属元素选自fe、co、ni、cu、ru中的至少一种；

3.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述过渡金属元素与碱土金属氮化物的质量比为1:0.1～10。

4.一种权利要求1至3中任意一项所述的催化剂的制备方法，其特征在于，在非活性气氛中，将含有过渡金属元素和碱土金属氮化物的混合物通过机械研磨方法进行分散负载，得到所述催化剂。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述机械研磨包括研钵研磨或机械球磨；

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述非活性气氛选自氮气、氩气、氦气中的至少一种。

7.一种合成氨的制备方法，其特征在于，将含有氮气和氢气的混合气体在催化剂的存在下，反应，合成氨；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为100～500℃，反应的压力为1～30atm。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合气体中氮气与氢气的体积比为100:1～1:100。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合气体的气体流速为1.2～2.4l/h。

技术总结
本申请公开了一种双组分催化剂及其制备方法和应用，包括过渡金属元素和碱土金属氮化物，所述过渡金属元素以金属单质形式存在。所述过渡金属选自Fe、Co、Ni、Cu、Ru中的至少一种；所述碱土金属氮化物选自Mg3N2和Ca3N2中的至少一种。本申请的催化剂通过过渡金属与碱土金属氮化物的协同作用，增加催化剂在制备合成氨过程中的催化活性，且具有良好的稳定性。

技术研发人员：冯圣,高文波,郭建平,陈萍
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24