本發(fā)明涉及等離子體與電催化耦合的，具體涉及一種電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法及氮化物。

背景技術(shù)：

1、高價(jià)值含氮化合物(如氨、肟和氨基酸等)，對于滿足當(dāng)今農(nóng)業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域的需求具有重要意義。盡管如此，在工業(yè)上含氮化合物的生產(chǎn)方式仍然與能源密集型工藝密不可分。電催化氮?dú)膺€原合成含氮化合物技術(shù)具有能夠直接以水為氫源，可再生能源為驅(qū)動(dòng)力及可在常溫常壓下操作等優(yōu)勢，被視為最具前景的合成含氮化合物新工藝。不幸的是，由于氮分子的惰性，通過直接電催化氮?dú)膺€原生產(chǎn)含氮化合物的水平仍然低于經(jīng)濟(jì)可行性所需的水平。

2、當(dāng)前眾多研究利用工業(yè)“三廢”中的氮氧化物合成含氮化合物替代電催化氮?dú)膺€原生產(chǎn)含氮化合物，同時(shí)解決了環(huán)境污染問題和實(shí)現(xiàn)了合成含氮化合物過程。然而，環(huán)境體系的復(fù)雜性和低濃度的氮氧化物，使利用工業(yè)“三廢”合成氨在工業(yè)上并未成為一個(gè)可行的方案。

3、使用等離子體技術(shù)將氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氮氧化物已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但目前仍然存在轉(zhuǎn)換效率低的問題。例如，申請?zhí)枮?02310001540.0的中國發(fā)明專利公開了一種等離子體輔助的氮?dú)庋趸c電還原集成合成氨方法，其報(bào)道了氮氧化物濃度較低，難以滿足工業(yè)需求。文獻(xiàn)highly?efficient?electrosynthesis?ofglycine?over?an?atomicallydispersed?iron?catalyst(j.am.chem.soc.2024,146,10084-10092)，報(bào)道了一種火花放電模式等離子輔助氨基酸的合成方法，存在氮?dú)饣罨a(chǎn)生的氮氧化物濃度(220mm)低，與電催化c-n偶聯(lián)過程需要氮氧化物濃度(500mm)嚴(yán)重不匹配，導(dǎo)致氨基酸合成性能大幅減小。

4、綜上所述，需要開發(fā)一種電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法及氮化物，用于解決現(xiàn)有等離子氮?dú)饣罨^程產(chǎn)生的氮氧化物濃度較低的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法及氮化物，具體技術(shù)方案如下：

2、在第一方面，本發(fā)明提供了一種電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，包括：

3、步驟s1、搭建電弧放電等離子體輔助的氮?dú)庋趸c電還原集成系統(tǒng)；在所述集成系統(tǒng)中采用平行平板電極電弧放電；

4、步驟s2、向所述集成系統(tǒng)中通入氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w；所述混合氣體經(jīng)電弧放電后得到氮氧化物；

5、步驟s3、將所述氮氧化物導(dǎo)入加有電解質(zhì)和復(fù)合催化劑的電催化器件中，經(jīng)電催化合成氮化物。

6、可選的，所述混合氣體中氮?dú)獾捏w積占比為20％～80％，氧氣的體積占比為80％～20％。

7、可選的，所述混合氣體通入所述集成系統(tǒng)中的流速為25～200ml/min。

8、可選的，在所述平行平板電極中兩電極間的距離為0.5～2mm。

9、可選的，在所述平行平板電極中各電極的直徑均為9～16mm。

10、可選的，在進(jìn)行電弧放電時(shí)，所述集成系統(tǒng)采用的電壓為20～250v；所述集成系統(tǒng)對所述混合氣體的活化放電時(shí)間為1～8h。

11、可選的，所述復(fù)合催化劑包括載體和附著在載體上的金屬活性位點(diǎn)；所述金屬活性位點(diǎn)包括過渡金屬活性位點(diǎn)；所述過渡金屬活性位點(diǎn)包括銅、鈷、錳、鉍、鈀、銦、鉛、錫、鎳和銀中的至少一種。

12、可選的，所述載體包括二氧化鈦。

13、可選的，控制所述電催化器件的電壓相對于可逆氫電極為-0.2v～-1.0v，或者，控制所述電催化器件的電流為-10～-300ma。

14、在第二方面，本發(fā)明提供了一種氮化物，其采用所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法合成得到；

15、當(dāng)合成的氮化物為氨時(shí)，所述電解質(zhì)為堿液；

16、當(dāng)合成的氮化物為環(huán)己酮肟時(shí)，所述電解質(zhì)為堿液；還需要在所述電催化器件中加入環(huán)己酮；在所述堿液中所述環(huán)己酮的濃度為50-500mmol/l；

17、當(dāng)合成的氮化物為環(huán)戊酮肟時(shí)，所述電解質(zhì)為堿液；還需要在所述電催化器件中加入環(huán)戊酮；在所述堿液中所述環(huán)戊酮的濃度為50-500mmol/l；

18、當(dāng)合成的氮化物為苯甲醛肟時(shí)，所述電解質(zhì)為堿液；還需要在所述電催化器件中加入苯甲醛；在所述堿液中所述苯甲醛的濃度為10-50mmol/l；

19、所述堿液的濃度為1.1～1.5mol/l；所述堿液包括氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液；

20、當(dāng)合成的氮化物為甘氨酸時(shí)，所述電解質(zhì)為酸液；還需要在所述電催化器件中加入乙醛酸；在所述酸液中所述乙醛酸的濃度為50-500mmol/l；

21、當(dāng)合成的氮化物為丙氨酸時(shí)，所述電解質(zhì)為酸液；還需要在所述電催化器件中加入丙酮酸；在所述酸液中所述丙酮酸的濃度為50-500mmol/l；

22、所述酸液的濃度為0.1～0.5mol/l；所述酸液包括硫酸溶液。

23、應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，至少具有以下有益效果：

24、本發(fā)明提供的一種電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，能夠解決現(xiàn)有等離子氮?dú)饣罨^程產(chǎn)生的氮氧化物濃度較低的問題。具體的，在產(chǎn)生氮氧化物階段，本發(fā)明采用平行平板電極進(jìn)行電弧放電，能夠有效增大放電面積與混合氣體的重疊區(qū)域，增加對氮?dú)夂脱鯕獾幕罨俾室约霸黾拥杂苫脱踝杂苫g的碰撞概率，進(jìn)而提高氮氧化物的產(chǎn)率；在合成氮化物階段，本發(fā)明采用堿液吸收氮氧化物生成硝酸根離子和亞硝酸根離子，借助復(fù)合催化劑逐步將硝酸根離子和亞硝酸根離子轉(zhuǎn)化成氮化物，使得氮化物合成水平達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行性所需的水平；因此，本發(fā)明組合使用電弧放電和復(fù)合催化劑既能夠產(chǎn)生較高濃度的氮氧化物，又能夠合成滿足經(jīng)濟(jì)可行性所需水平的氮化物。

25、除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將參照圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

技術(shù)特征：

1.一種電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，所述混合氣體中氮?dú)獾捏w積占比為20％～80％，氧氣的體積占比為80％～20％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，所述混合氣體通入所述集成系統(tǒng)中的流速為25～200ml/min。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，在所述平行平板電極中兩電極間的距離為0.5～2mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，在所述平行平板電極中各電極的直徑均為9～16mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，在進(jìn)行電弧放電時(shí)，所述集成系統(tǒng)采用的電壓為20～250v；所述集成系統(tǒng)對所述混合氣體的活化放電時(shí)間為1～8h。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，所述復(fù)合催化劑包括載體和附著在載體上的金屬活性位點(diǎn)；所述金屬活性位點(diǎn)包括過渡金屬活性位點(diǎn)；所述過渡金屬活性位點(diǎn)包括銅、鈷、錳、鉍、鈀、銦、鉛、錫、鎳和銀中的至少一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，所述載體包括二氧化鈦。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法，其特征在于，控制所述電催化器件的電壓相對于可逆氫電極為-0.2v～-1.0v，或者，控制所述電催化器件的電流為-10～-300ma。

10.一種氮化物，其特征在于，采用如權(quán)利要求1～9中任一項(xiàng)所述的電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法合成得到；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及等離子體與電催化耦合的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電弧放電等離子體輔助的氮化物合成方法及氮化物。該氮化物由該方法合成。該方法包括搭建電弧放電等離子體輔助的氮?dú)庋趸c電還原集成系統(tǒng)；在所述集成系統(tǒng)中采用平行平板電極電弧放電；向所述集成系統(tǒng)中通入氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w；所述混合氣體經(jīng)電弧放電后得到氮氧化物；將所述氮氧化物導(dǎo)入加有電解質(zhì)和復(fù)合催化劑的電催化器件中，經(jīng)電催化合成氮化物。本發(fā)明組合使用電弧放電和復(fù)合催化劑既能夠產(chǎn)生較高濃度的氮氧化物，又能夠合成滿足經(jīng)濟(jì)可行性所需水平的氮化物。

技術(shù)研發(fā)人員：鄒雨芹,吳文杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8