MOFs催化剂制备及其低温电催化合成氨性能

发布时间：2017-08-25 01:22

  本文关键词：MOFs催化剂制备及其低温电催化合成氨性能

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【摘要】：氨是一种重要的化工产品,在国民经济中占有着不可或缺的地位。传统的合成氨工艺存在单程转化率较低、能耗较大以及生产过程中会产生大量温室气体CO2等问题。而低温电化学催化合成氨具有能耗较低、合成氨过程中安全环保等优点,引起了极大的关注。其中,性能优越,价格低廉的催化剂对推进电化学催化合成氨起至关重要的作用。金属有机骨架(MOFs)具有极高的比表面积、结构和性能可调等优点,是一种优异的催化材料。本论文分别采用硝酸铁、硝酸铜和醋酸钻作为前驱体,均苯三甲酸、对二苯甲酸和咪唑为有机配体,采用水热合成法成功合成了MOF(Cu-BTC),MOF(Fe-BTC)和MOF(Co)等催化剂。利用XRD、XPS和FTIR等分析手段对催化剂进行了表征分析,并评价了这些MOFs催化剂的低温电化学合成氨性能。结果表明,Fe和Cu都是与金属-O键配位而形成配合物,Co是与咪唑中的N配位成键,三种催化剂都具有良好的晶型,且均表现出良好的配位结构。这三种催化剂对低温下电化学合成氨反应都具有良好的催化作用。在相同实验条件下,MOF(Fe-BTC)催化剂的合成氨速率是最高的,在80℃和1.0 V电压下,以纯氮气为原料气时,合成氨速率可以达到1.072×10-9mol·cm-2·s-1,电流效率为4.11%;MOF(Cu-BTC)催化剂的最适宜电压为1.2 V,最高合成氨速率可以达到4.58×10-10 mol·s-1·cm-2,电流效率为1.74%。MOF(Co)催化剂的最适宜电压为1.2 V,合成氨速率最高可以达到8.53×10-10 mol·s-1·cm-2,电流效率为2.23%;MOF(Fe-H2BDC)催化剂在以空气为原料气反应时,最适宜电压为1.2 V,合成氨速率最高可以达到6.763×10-10 mol·s-1·cm-2,电流效率为1.51%。论文将MOFs材料作为催化剂应用于低温电化学合成氨,不仅拓展了MOFs在电化学领域的应用,而且为发展高性能的电化学合成氨催化剂提供了新途径。
【关键词】：电化学合成氨 电催化剂 MOFs 对二苯甲酸 咪唑
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.36;TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-25
• 1.1 前言15-17
• 1.2 电化学合成氨17-19
• 1.2.1 高温电化学合成氨18
• 1.2.2 低温电化学合成氨18-19
• 1.3 低温电化学合成氨催化剂19-21
• 1.3.1 贵金属催化剂19-20
• 1.3.2 非贵金属催化剂20-21
• 1.3.3 有机金属骨架催化剂21
• 1.4 结论与展望21-22
• 1.5 课题研究思路和研究内容22-25
• 1.5.1 研究意义22-23
• 1.5.2 研究思路23-24
• 1.5.3 研究内容24-25
• 第二章 实验部分25-33
• 2.1 实验试剂25-26
• 2.2 实验仪器26
• 2.3 催化剂制备26-27
• 2.3.1 MOF(Fe)的制备26-27
• 2.3.2 MOF(Co)的制备27
• 2.3.3 MOF(Cu)的制备27
• 2.4 结构表征27-28
• 2.4.1 傅里叶变换红外光谱27-28
• 2.4.2 X-射线衍射28
• 2.4.3 氮气吸/脱附28
• 2.4.4 X-射线电子能谱28
• 2.5 合成氨性能评价28-33
• 2.5.1 评价装置28-30
• 2.5.2 标准曲线的建立30-31
• 2.5.3 合成氨性能评价31-33
• 第三章 MOF(Fe)的电催化合成氨性能33-53
• 3.1 MOF(Fe-BTC)催化剂的制备33-34
• 3.2 MOF(Fe)催化剂结构表征34-38
• 3.2.1 傅里叶变换红外光谱34-35
• 3.2.2 X-射线衍射35-36
• 3.2.3 氮气吸/脱附实验36-37
• 3.2.4 XPS分析37-38
• 3.3 电催化合成氨工艺优化38-45
• 3.3.1 催化剂配比对合成氨性能影响38-41
• 3.3.2 气速对合成氨性能的影响41-42
• 3.3.3 电压对合成氨性能的影响42-44
• 3.3.4 温度对合成氨性能的影响44-45
• 3.4 电催化合成氨性能45-50
• 3.4.1 不同电压下电催化合成氨性能45-46
• 3.4.2 不同温度下电催化合成氨性能46-48
• 3.4.3 电催化合成氨电流效率48-49
• 3.4.4 交流阻抗测试49-50
• 3.5 本章小结50-53
• 第四章 MOF(Cu)及MOF(Co)电催化合成氨性能53-75
• 4.1 引言53
• 4.2 催化剂的制备53-55
• 4.2.1 MOF(Cu)催化剂的制备53-54
• 4.2.2 MOF(Co)催化剂的制备54-55
• 4.3 催化剂的结构表征55-61
• 4.3.1 傅里叶变换红外光谱55-56
• 4.3.2 X-射线衍射56-57
• 4.3.3 氮气吸/脱附实验57-58
• 4.3.4 XPS分析58-61
• 4.4 MOF(Cu)和MOF(Co)的合成氨性能61-73
• 4.4.1 不同电压下合成氨速率及I-t曲线61-65
• 4.4.2 不同温度下合成氨速率及I-t曲线65-67
• 4.4.3 电催化合成氨电流效率67-69
• 4.4.4 交流阻抗69-73
• 4.5 本章小结73-75
• 第五章 以空气和水为原料的电催化合成氨性能75-91
• 5.1 引言75
• 5.2 催化剂的制备75-78
• 5.2.1 MOF(Fe-BTC)制备75-76
• 5.2.2 MOF(Fe-H2BDC)制备76-78
• 5.3 不同电压下合成氨速率78-80
• 5.4 不同温度下电催化合成氨速率80-83
• 5.5 电催化合成氨电流效率83-84
• 5.6 电催化合成氨交流阻抗84-88
• 5.7 本章小结88-91
• 第六章 结论与展望91-93
• 参考文献93-101
• 致谢101-103
• 作者和导师简介103-105
• 附件105-106

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张正方;钟正平;刘瑞泉;;Cathode catalysis performance of SmBaCuMO_(5+δ) (M=Fe, Co, Ni) in ammonia synthesis[J];Journal of Rare Earths;2010年04期

2 ;Electrochemical synthesis of ammonia using a cell with a Nafion membrane and SmFe_(0.7)Cu_(0.3-x)Ni_xO_3(x=0 0.3) cathode at atmospheric pressure and lower temperature[J];Science in China(Series B:Chemistry);2009年08期

3 王进;刘瑞泉;;SDC和SSC在低温常压电化学合成氨中的性能研究[J];化学学报;2008年07期

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本文编号：734250