一种用于氨分解反应的光热催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及新能源技术及光热催化，具体涉及一种用于氨分解反应的光热催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、“双碳”背景下，氢能因其清洁、高能量密度备受关注，但安全储运问题限制了其规模化应用。nh3凭借其高的氢载量、易液化储运和高安全性等特点成为一种理想的无碳氢能载体。然而，催化氨分解制氢反应是一个强吸热的过程，驱动该反应需要较高的温度（＞500℃），这造成了高的能耗且伴随高额的碳排放。因此，如何在低温下实现氨分解制氢近热力学的平衡转化对提升氢能储运的经济性和环境效益具有重要意义。

2、传统热催化氨分解制氢主要运用的是ru、fe、ni等过渡金属催化剂。其中，ru基催化剂的低温性能较高，但资源稀缺且成本昂贵，这限制了其大规模的工业应用。与之相比，尽管以ni、fe为代表的非贵金属催化剂资源丰富，但是其低温性能较差，分别存在nh3难以活化和“金属-氮”键解吸困难的问题。此外，高温反应通常会导致活性金属纳米颗粒的团聚，进而导致催化性能的不稳定。近年来，光热催化由于能够同时耦合热能与光生载流子，进而克服传统热催化高能耗以及单一光催化效率低的问题，在能源与环境催化方面受到了人们的广泛关注和研究。目前，基于光热催化剂的设计思路主要是将金属纳米粒子与半导体的组合，利用光激发半导体产生光生载流子，金属纳米粒子作为电子捕获陷阱，进而促进活性金属对反应分子的吸附活化，并取得了一定的效果。然而，受限于金属与半导体费米能级的良好匹配性，两者接触界面形成的肖特基势垒将限制载流子在界面上的自由流动，致使光生电子的转移和利用效率降低。因此，开发高效低成本的用于氨分解的催化剂及制氢方法对提升氨分解制氢的效率和稳定性至关重要。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的第一个目的是提供一种用于氨分解反应的光热催化剂，该光热催化剂通过将过渡金属氮化物负载到具有碱性的金属氧化物表面，充分发挥过渡金属氮化物具有的光生载流子效应，提高其在光照条件的表面电子密度，促进了氨分子的吸附及氮原子在催化剂表面的解吸脱附行为，通过光热协同的方式加速氨气的分解，在无外加热源的条件下实现氨分解反应。

2、本发明的第二个目的是提供一种用于氨分解反应的光热催化剂的制备方法。

3、本发明的第三个目的是提供一种用于氨分解反应的光热催化剂的应用，包括利用所述光热催化剂低成本、稳定、高效的制氢。

4、本发明所采用的第一个技术方案是：一种用于氨分解反应的光热催化剂，包括具有碱性的金属氧化物载体和负载在所述金属氧化物载体上的过渡金属氮化物；所述过渡金属氮化物包括氮化铁、氮化镍和氮化钴中的一种或多种。

5、优选地，所述过渡金属氮化物与金属氧化物载体的重量比为0.1wt%～40wt%。

6、优选地，所述具有碱性的金属氧化物载体为ceo2、mgo、al2o3、la2o3、y2o3中的一种或多种。

7、本发明所采用的第二个技术方案是：一种如第一个技术方案中所述光热催化剂的制备方法，包括：将所述金属氧化物载体以及硝酸铁、硝酸镍或硝酸钴，通过沉积-沉淀法合成负载过渡金属氮化物的光热催化剂。

8、优选地，光热催化剂的制备方法包括：将金属氧化物载体与硝酸铁、硝酸镍或硝酸钴分散于去离子水中并搅拌，加入ch4n2o并置于油浴锅内反应；陈化、离心、洗涤、干燥并研磨过筛，获得中间产物；将所述中间产物置于反应装置中用h2-ar混合气处理，在nh3气氛下升温，煅烧处理后得到光热催化剂。

9、优选地，过渡金属fe、co或ni与金属氧化物载体的质量比为1%-40%。

10、本发明所采用的第三个技术方案是：一种如第一个技术方案中所述光热催化剂在光热催化氨分解制氢中的应用。

11、优选地，光热催化剂在光热催化氨分解制氢中的应用，包括：将所述光热催化剂装填在透光的石英反应器中，并将氨气通入石英反应器，通过聚焦光照射光热催化剂表面，从而在无外加热源的条件下，实现光热催化氨分解制氢。

12、优选地，光热催化剂在石英反应器中的装填厚度≤2mm，装填质量为50～100mg。

13、优选地，催化反应过程的光强为4.75 w/cm2～8.83 w/cm2。

14、上述技术方案的有益效果：

15、（1）本发明提供的一种用于氨分解反应的光热催化剂，通过将过渡金属氮化物负载到具有碱性的金属氧化物表面，充分发挥过渡金属氮化物具有的光生载流子效应，提高其在光照条件的表面电子密度，促进了氨分子的吸附及氮原子在催化剂表面的解吸脱附行为，通过光热协同的方式加速氨气的分解，在无外加热源的条件下实现氨分解反应。

16、（2）本发明利用过渡金属氮化物的lspr效应不仅可以在光激发条件下促进高能热电子的产生，而且产生的光热效应显著降低传统氨分解反应所需的外置热源温度，有效降低了传统热催化反应的能耗。

17、（3）本发明利用过渡金属氮化物的光生载流子效应和光制热效应，将其复合在具有碱性的金属氧化物载体表面，进而克服传统热催化高能耗以及单一光催化效率低的问题，进而在无外加热源的条件下实现稳定、高效的光驱动催化氨分解制氢。

18、（4）本发明公开的一种利用所述用于氨分解反应的光热催化剂制氢的方法，可在无外加热源的条件下，实现氢气低能耗、稳定、高效的制取，在高效、低能耗的氨分解制氢催化体系开发方面展现出极大的前景。

1.一种用于氨分解反应的光热催化剂，其特征在于，包括具有碱性的金属氧化物载体和负载在所述金属氧化物载体上的过渡金属氮化物；所述过渡金属氮化物包括氮化铁、氮化镍和氮化钴中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的用于氨分解反应的光热催化剂，其特征在于，所述过渡金属氮化物与金属氧化物载体的重量比为0.1wt%～40wt%。

3.根据权利要求1所述的用于氨分解反应的光热催化剂，其特征在于，所述具有碱性的金属氧化物载体为ceo2、mgo、al2o3、la2o3、y2o3中的一种或多种。

4.一种如权利要求1-3任一项所述光热催化剂的制备方法，其特征在于，包括：将所述金属氧化物载体以及硝酸铁、硝酸镍或硝酸钴，通过沉积-沉淀法合成负载过渡金属氮化物的光热催化剂。

5.根据权利要求4所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，包括：将金属氧化物载体与硝酸铁、硝酸镍或硝酸钴分散于去离子水中并搅拌，加入ch4n2o并置于油浴锅内反应；陈化、离心、洗涤、干燥并研磨过筛，获得中间产物；将所述中间产物置于反应装置中用h2-ar混合气处理，在nh3气氛下升温，煅烧处理后得到光热催化剂。

6.根据权利要求5所述的光热催化剂的制备方法，其特征在于，过渡金属fe、co或ni与金属氧化物载体的质量比为1%-40%。

7.一种如权利要求1-3任一项所述光热催化剂在光热催化氨分解制氢中的应用。

8.根据权利要求7所述的光热催化剂在光热催化氨分解制氢中的应用，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的光热催化剂在光热催化氨分解制氢中的应用，其特征在于，光热催化剂在石英反应器中的装填厚度≤2mm，装填质量为50～100mg。

10. 根据权利要求8所述的光热催化剂在光热催化氨分解制氢中的应用，其特征在于，催化反应过程的光强为4.75 w/cm2～8.83 w/cm2。