氨的合成方法

2023-05-23 06:44:56

專利名稱：氨的合成方法
技術領域：
本發明涉及一種氨的合成方法，具體涉及不使用氫氣即可合成氨的氨的合成方法。
背景技術：
現有的氨合成工序，使用天然氣等化石燃料作為合成原料的氫源。因此，會產生因化石燃料的上漲導致氨的製備成本上升的問題，也會產生因二氧化碳(CO2)的排放導致環境負荷的問題。作為不使用化石燃料的氫的製備方法，有使用電分解水的電解法、利用太陽光的水的光催化分解法、利用太陽能或核能的熱化學法。作為使用這些氫合成氨的方法，採用哈柏法。這裡，哈柏法是由氫氣和氮氣合成氨的方法，是在鐵類三元催化劑的存在下，使氫氣與氮氣反應來製備氨的方法。由於哈柏法的合成效率高，因此即使在現在，其也是氨合成方法中的主要方法，但由於哈柏法是在高溫、高壓條件下進行合成，因此能源消耗和設備規模大，並且通過烴的水蒸氣重整得到氫氣時，存在排放大量二氧化碳(CO2)的問題。

作為改善上述問題的方法，人們開發出不使用氫氣的方法，關於這樣的氨的合成方法的專利文獻如下。首先，專利文獻I公開了一種氨電解合成裝置，其是由水和氮電解合成氨的裝置，其研究了向電解液供給的水蒸汽的種類和攪拌電解液的裝置。該氨的電解合成裝置的特徵在於:(I)其是通過將微細化的水蒸氣和N3-供給至作為電解液的熔融鹽來合成氨的裝置；
(2)具有向熔融鹽中供給氣體成分，利用含有氣體成分的熔融鹽的上升流攪拌熔融鹽的裝置；(3)具有氧化由水蒸氣的反應生成的02_而產生氧氣的陽極；(4)具有還原氮氣而產生N3-的陰極。這裡，熔融鹽選自鹼金屬滷化物及鹼土金屬滷化物中的至少一種。另外，微細化的水蒸氣的氣泡直徑為lOOnnTlOmm。並且，微細化的水蒸氣是以每Icm3的熔融鹽中含有10個 1000萬個氣泡來供給的。其次，專利文獻2公開了一種氨合成裝置，其特徵在於，具有供給氮氣的網狀或多孔狀的陰極、陰極上的氮化物固體電解質層、設置在氮化物固體電解質層上的網狀或多孔狀的陽極、設置在陽極上並解離吸附氫的催化層，通過對陽極施加相對於陰極的正電位，在氮化物固體電解質層中電化學生成氮陰離子，在陽極氧化氮陰離子得到氮原子，在陽極上，通過使氮原子與在催化層上解離吸附的氫原子發生反應，合成氨。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:日本特開2009-84615號公報專利文獻2:日本特開2005-272856號公報

發明內容
本發明要解決的技術問題但是，根據上述專利文獻I所述的氨合成裝置，由於使用由鹼金屬滷化物及鹼土金屬滷化物構成熔融鹽的電解液，仍然是在高溫下的氨的合成，有能源消耗巨大的問題。另夕卜，根據上述專利文獻2所述的氨合成裝置，需要供給作為氫源的氫氣，並沒有解決在燃料中使用化石燃料的問題。本發明的目的為提供一種氨的合成方法，其可解決上述現有技術問題，並能夠不使用氫氣進行氨的合成，由於不使用現有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會因化石燃料的上漲導致氨的製備成本上升，也不會因二氧化碳(CO2)的排放導致環境負荷，並且由於是在常溫、常壓下的合成，因此能源消耗和設備規模小，經濟性優異。解決技術問題的技術手段本發明人等鑑於上述問題進行了深入研究，結果發現在陽極區，當光照射水時，水通過光吸收反應發生分解，形成質子、電子及氧氣，將該電子轉移至供給有氮氣的陰極區，在陰極區形成N3_，可通過使該N3_與來自陽極區的質子反應，合成氨，進而完成了本發明。為了達到上述目的，權利要求1的氨的合成方法的發明，其特徵在於，在電解質相中，以規定間隔配置陽極和陰極，在陽極區供給水(H2O)的同時，照射光，水通過光吸收反應而分解，形成質子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)，在陰極區供給氮氣(N2),通過導線將在陽極區生成的電子(e_)轉移至陰極區，在陰極區形成N3—，通過使在電解質相內從陽極區轉移至陰極區側的質子(H+)與N3-進行反應，合成氨(NH3)。權利要求2的發明是根據權利要求1所述的氨的合成方法，其特徵在於，在陽極具有光催化劑，光照射在陽極區，水通過光催化反應而分解，形成質子、電子及氧氣。權利要求3的發明是根據權利要求1或2所述的氨的合成方法，其特徵在於，照射在陽極區的光是太陽光或由光照燈照射的可見光。發明效果權利要求1的氨的合成方法的發明，其特徵為在電解質相中，以規定間隔配置陽極和陰極，在陽極區供給水(H2O)的同時，照射光，水通過光吸收反應而分解，形成質子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)，在陰極區供給氮氣(N2),通過導線將在陽極區生成的電子(e_)轉移至陰極區，在陰極區形成N3—，通過使在電解質相內從陽極區轉移至陰極區側的質子(H+)與儼進行反應，合成氨(NH3),根據權利要求1的發明，能夠不使用氫氣而合成氨，由於不使用現有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會因化石燃料的上漲導致氨的製備成本上升，也不會因二氧化碳(CO2)的排放導致對環境的負荷，並且因為是在常溫、常壓下的合成，能源消耗和設備規模小，具有經濟性優異的效果。權利要求2的發明是根據權利要求1所述的氨的合成方法，其特徵在於，在陽極具有光催化劑，光照射在陽極區，水通過光催化反應而分解，形成質子、電子及氧氣，根據權利要求2的發明，通過使用光催化劑，能夠起到迅速促進水的分解反應，高效地合成氨的效
果O權利要求3的發明是根據權利要求1或2所述的氨的合成方法，其特徵在於，照射在陽極區的光是太陽光或由光照燈照射的可見光，根據權利要求3的發明，由於太陽光及由光照燈照射的可見光具有最高的能量， 因此通過使用這些光，能夠起到迅速促進水的分解反應，高效地合成氨的效果。


圖1為表示本發明的氨的合成方法的實施裝置的具體例的流程圖。
具體實施例方式接著，參照

本發明的實施方式，但本發明並不限定於此。圖1為表示本發明的氨的合成方法的實施裝置的具體例的流程圖，參照該圖，本發明的氨的合成方法是在電解質相中以規定間隔配置陽極和陰極。在陽極區供給水(H2O)的同時，照射光，水通過光吸收反應而分解，形成質子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)。在陰極區，供給氮氣(N2),通過導線將在陽極區生成的電子(e_)轉移至陰極區，在陰極區形成N3_，通過使在電解相內從陽極區轉移至陰極區側的質子(H+)與N3_反應，合成氨(NH3)陽極區，供給水(H2O)的同時，照射光，水因光吸收反應分解，形成質子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)。在本發明的氨的合成方法中，陽極區及陰極區的化學反應如下。陽極反應:H20+ hv — 1/202 + 2H+ + 2e陰極反應:N2+ 6e_ — 2N3_:N3>3H+ — NH3根據本發明的氨的合成方法，能夠在不使用氫氣的情況下合成氨，由於不使用現有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會因化石燃料的上漲導致氨的製備成本上升，也不會因二氧化碳(CO2)的排放導致對環境的負荷，並且由於是在常溫、常壓下的合成，因此能源消耗和設備規模小，經濟性優異。在本發明的氨的合成方法中，優選在陽極具有光催化劑，光照射在陽極區時，水通過光催化反應而分解，形成質子、電子及氧氣。這裡，作為陽極的基板，優選使用例如銦錫氧化物(ITO)、氟錫氧化物(FTO)等。另外，作為陰極，優選使用例如Ni多孔體，負載鎳、鐵或釕的Ni多孔體，碳紙，或負載鎳、鐵或釕的碳紙。作為光催化劑，可以是所謂的可見光響應型光催化劑，即在可見光下表現出光催化活性的催化劑。作為這樣的可見光響應`型光催化劑，可列舉如:以TaON、LaTiO2N,CaNbO2N, LaTaON2, CaTaO2N為代表的氮氧化物、以Sm2Ti2S2O7等為代表的硫氧化物，及以Caln204> Srln204> ZnGa2O4^ Na2Sb2O6為代表的含有#電子狀態的金屬離子的氧化物等。通過使用這樣的光催化劑，能夠加速促進水的分解反應，從而高效地合成氨。 在本發明的氨的合成方法中，照射在陽極區的光優選太陽光或由光照燈照射的可見光。這裡，作為光照燈，優選使用例如氙氣燈、氪燈等。由於這些可見光具有最高的能量，因此通過使用這些光，能夠加速促進水的分解反應，從而高效地合成氨。實施例接下來，說明本發明的實施例，但本發明並不限定於此。實施例1
首先，使用0.002N的硫酸(H2SO4)水溶液作為電解質相的電解質。作為陽極，使用帶有銦錫氧化物(ΙΤ0)的基板，並在ITO基板上塗布可見光響應型光催化劑TaON作為光催化劑。另外，使用Ni多孔體作為陰極。接著，在上述電解質相中，以規定間隔配置具有光催化劑的陽極和陰極，在陽極區供給水(H2O)的同時，通過氙氣燈照射300W的由可見光構成的光。因此，在陽極區，水通過光催化反應而分解，形成質子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)。另一方面,在陰極區，以100ml/min的流速通入氮氣(N2)。在兩極間施加2.8^3.4V的電壓，測定此時電解質的離子電導率。由此，通過導線將在陽極區生成的電子(e_)轉移至陰極區，在陰極區，氮氣(N2)通過接受電子(e_)形成N3—，並通過使在電解質相內從陽極區轉移至陰極區側的質子(H+)與N3_反應，生成氨(NH3)。生成的氨與通入陰極區的氮氣一起從裝置排出。在本發明的實施例的氨的合成方法中，陽極區及陰極區的化學反應如下。陽極反應:H20+ hv — 1/202 + 2H+ + 2e陰極反應:N2+ 6e_ — 2N3_:N3>3H+ — NH3結果，可以確認氨合成反應開始前由硫酸水溶液構成的電解質相的離子電導率為0.84mS/cm,與此相 對，氨合成反應後的硫酸水溶液的電解質相的離子電導率降低至
0.50mS/cm,並生成氨。
權利要求
1.一種氨的合成方法，其特徵在於，在電解質相中，以規定間隔配置陽極和陰極，在陽極區供給水(H2O)的同時，照射光，水通過光吸收反應而分解，形成質子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)，在陰極區供給氮氣(N2);通過導線將在陽極區生成的電子(e_)轉移至陰極區，在陰極區形成N3_，通過使在電解相內從陽極區轉移至陰極區側的質子(H+)與N3_反應，合成氨(NH3)0
2.如權利要求1所述的氨的合成方法，其特徵在於，陽極具有光催化劑，光照射在陽極區，水通過光催化反應而分解，形成質子、電子及氧氣。
3.如權利要求1或2所述的氨的合成方法，其特徵在於，照射在陽極區的光是太陽光或由光照燈照射的可見光。
全文摘要
本發明提供一種氨的合成方法，其能夠不使用氫氣而合成氨，由於不使用現有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會因化石燃料上漲導致氨的製備成本上升，也不會因二氧化碳的排放導致對環境的負荷，並且由於是在常溫、常壓下的合成，能源消耗、設備規模小，經濟性優異。該氨的合成方法是在電解質相中，以規定間隔配置陽極和陰極，在陽極區供給水的同時，照射光，水通過光吸收反應而分解，形成質子、電子及氧氣，在陰極區供給氮氣，通過導線將在陽極區生成的電子轉移至陰極區，在陰極區形成N3-，通過使在電解質相內從陽極區轉移至陰極區側的質子與N3-反應，合成氨。
文檔編號B01J35/02GK103108994SQ20118003539
公開日2013年5月15日 申請日期2011年6月3日 優先權日2010年7月21日
發明者日數谷進, 森匠磨, 荒木貞夫 申請人:日立造船株式會社