负载型离子液体@金属硫化物量子点光催化固氮合成氨体系的构筑及其性能研究
批准号:
22078256
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
杨贵东
依托单位:
学科分类:
反应工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨贵东
中文摘要
光催化固氮合成氨技术为温和条件下氨的清洁高效生产提供了一条新途径。但氮气在水相反应体系中较低的溶解度和较慢的扩散速率,严重制约了光催化固氮反应效率的提升,使该技术的实用化进程备受限制。本项目提出构建具有量子点结构的负载型离子液体@金属硫化物光催化剂,一方面基于功能化离子液体优异的气体溶解性,实现水中氮气分子的快速扩散和吸附;另一方面基于离子液体特殊的结构导向作用,引导金属硫化物形成量子点结构,促进N≡N键的高效解离活化及电子和质子的快速转移;在单一催化剂内实现对氮气分子的溶解扩散和解离活化两大过程的有机协同,达到大幅提升固氮合成氨性能的目的。通过系统制备、表征和活性评测分析研究,揭示负载的离子液体对氮气分子溶解、扩散和吸附等传质过程的影响规律,阐明离子液体和金属硫化物量子点结构协同强化电荷迁移和氮还原反应等动力学过程的作用机制。为光催化固氮合成氨新材料体系的开发提供理论依据和优化设计原则。
英文摘要
Photocatalytic nitrogen fixation for ammonia synthesis technology provides a new way for the clean and efficient production of ammonia under mild conditions. However, the lower solubility and diffusion rate of nitrogen in the water-phase reaction system severely restricts the performance of photocatalytic nitrogen reduction, therefore limiting the practical application of this technology. This project proposes the construction of ionic liquid @ metal sulfide photocatalyst with quantum dots structure. Based on the excellent gas solubility of some functionalized ionic liquids, the rapid diffusion and adsorption of nitrogen molecules in water-phase are realized. Additionally, the unique characteristics of ionic liquids allow formation of metal sulfide quantum dots structure to be carefully controlled due to the structure-guided effect, which promotes the efficient dissociation and activation of N≡N bonds and the rapid transfer of electrons and protons, as result of realizing the synergism of dissolution and diffusion processes of nitrogen molecules in a single catalyst. These factors allow the catalyst to achieve the goal of greatly improving the performance of nitrogen reduction. Through systematic preparation, characterization, and activity evaluation analysis research, the law of mass transfer processes such as dissolution, diffusion, and adsorption of nitrogen molecules in the ionic liquids system can be resolved, and clarify the mechanism of the synergetic enhancement of charge transfer and nitrogen reduction by ionic liquid and metal sulfide quantum dots structure. It provides theoretical basis and optimized design principles for the development of novel material system of photocatalytic nitrogen fixation.
合成氨是揭开现代化学工业序幕的标志性产品。当前,全世界以哈伯法工艺为主的工业合成氨产能已达2.5亿吨,其每年总耗能约占全球总能源消耗的2 %,CO2排放量约占全球总碳排放量的1.6 %。在“3060双碳”目标的时代背景下,开发温和条件下高效、低能耗、低排放颠覆性合成氨技术,解决哈伯法合成氨过程存在的反应条件苛刻、流程长、能耗高等问题,成为亟待解决的前沿科学挑战。.光催化固氮合成氨技术为温和条件下氨的清洁高效生产提供了一条新途径。但氮气在水相反应体系中较低的溶解度和较慢的扩散速率,严重制约了光催化固氮反应效率的提升,使该技术的实用化进程备受限制。基于此,本项目以实现强化氮气高效传质和氮气高效活化为主要研究重点。通过构建负载型离子液体@催化剂,实现光/电催化固氮合成氨反应性能大幅提升,推进其实用化进程。并系统研究离子液体中可设计的阴阳离子结构对氮气分子在水相中的溶解和扩散的影响规律,研究不同结构表面丰富的催化位点对活化N≡N键的调控机制,及促进电荷迁移和氮还原反应的动力学过程。此外,申请人首次提出了一个“吸盘反应器”多功能催化剂体系,通过耦合季磷离子液体阳离子和杂多酸异多阴离子来有效捕获N2并转化为氨。成功制备了一系列IL-POM自组装有机-无机杂化材料,并对其光催化氮还原制氨性能进行了分析,在不添加牺牲剂的情况下实现高效的氨合成。其中,P2HPMo的N2固定效率最高,达到98 μmol gcat−1 h−1,是目前报道的无牺牲剂体系中最高的固氮效率之一。在此基础之上,申请人通过理论计算、原位红外、原位EPR等技术进一步揭示负载型离子液体@催化剂各组分协同增强光/电催化固氮合成氨性能的作用机理,形成催化剂的优化设计原则。研究成果为离子液体包覆型结构合成氨催化剂的设计与构建提供理论基础。
以湿空气为原料的低温滑弧等离子体耦合光电催化合成氨关键技术
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批准号:U22A20391
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:255.00万元
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批准年份:2022
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负责人:杨贵东
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依托单位:
具有π-π共轭超分子结构的g-C3N4光催化新体系构建及其全解水制氢性能研究
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批准号:U1862105
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:42.0万元
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批准年份:2018
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负责人:杨贵东
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依托单位:
新型三维有序大孔M@TiO2(M=CdS,Fe2O3,WO3)复合材料的可控制备及其光催化活性增强机制研究
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批准号:21303130
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2013
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负责人:杨贵东
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依托单位:
国内基金
海外基金