專利名稱：氨的合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生因化石燃料的上漲導(dǎo)致氨的制備成本上升的問題，也會(huì)產(chǎn)生因二氧化碳(CO2)的排放導(dǎo)致環(huán)境負(fù)荷的問題。作為不使用化石燃料的氫的制備方法，有使用電分解水的電解法、利用太陽(yáng)光的水的光催化分解法、利用太陽(yáng)能或核能的熱化學(xué)法。作為使用這些氫合成氨的方法，采用哈柏法。這里，哈柏法是由氫氣和氮?dú)夂铣砂钡姆椒?，是在鐵類三元催化劑的存在下，使氫氣與氮?dú)夥磻?yīng)來(lái)制備氨的方法。由于哈柏法的合成效率高，因此即使在現(xiàn)在，其也是氨合成方法中的主要方法，但由于哈柏法是在高溫、高壓條件下進(jìn)行合成，因此能源消耗和設(shè)備規(guī)模大，并且通過烴的水蒸氣重整得到氫氣時(shí)，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(fā)出不使用氫氣的方法，關(guān)于這樣的氨的合成方法的專利文獻(xiàn)如下。首先，專利文獻(xiàn)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征在于:(I)其是通過將微細(xì)化的水蒸氣和N3-供給至作為電解液的熔融鹽來(lái)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(yīng)生成的02_而產(chǎn)生氧氣的陽(yáng)極；(4)具有還原氮?dú)舛a(chǎn)生N3-的陰極。這里，熔融鹽選自堿金屬鹵化物及堿土金屬鹵化物中的至少一種。另外，微細(xì)化的水蒸氣的氣泡直徑為lOOnnTlOmm。并且，微細(xì)化的水蒸氣是以每Icm3的熔融鹽中含有10個(gè) 1000萬(wàn)個(gè)氣泡來(lái)供給的。其次，專利文獻(xiàn)2公開了一種氨合成裝置，其特征在于，具有供給氮?dú)獾木W(wǎng)狀或多孔狀的陰極、陰極上的氮化物固體電解質(zhì)層、設(shè)置在氮化物固體電解質(zhì)層上的網(wǎng)狀或多孔狀的陽(yáng)極、設(shè)置在陽(yáng)極上并解離吸附氫的催化層，通過對(duì)陽(yáng)極施加相對(duì)于陰極的正電位，在氮化物固體電解質(zhì)層中電化學(xué)生成氮陰離子，在陽(yáng)極氧化氮陰離子得到氮原子，在陽(yáng)極上，通過使氮原子與在催化層上解離吸附的氫原子發(fā)生反應(yīng)，合成氨。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-84615號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:日本特開2005-272856號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題但是，根據(jù)上述專利文獻(xiàn)I所述的氨合成裝置，由于使用由堿金屬鹵化物及堿土金屬鹵化物構(gòu)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(jù)上述專利文獻(xiàn)2所述的氨合成裝置，需要供給作為氫源的氫氣，并沒有解決在燃料中使用化石燃料的問題。本發(fā)明的目的為提供一種氨的合成方法，其可解決上述現(xiàn)有技術(shù)問題，并能夠不使用氫氣進(jìn)行氨的合成，由于不使用現(xiàn)有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會(huì)因化石燃料的上漲導(dǎo)致氨的制備成本上升，也不會(huì)因二氧化碳(CO2)的排放導(dǎo)致環(huán)境負(fù)荷，并且由于是在常溫、常壓下的合成，因此能源消耗和設(shè)備規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異。解決技術(shù)問題的技術(shù)手段本發(fā)明人等鑒于上述問題進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在陽(yáng)極區(qū)，當(dāng)光照射水時(shí)，水通過光吸收反應(yīng)發(fā)生分解，形成質(zhì)子、電子及氧氣，將該電子轉(zhuǎn)移至供給有氮?dú)獾年帢O區(qū)，在陰極區(qū)形成N3_，可通過使該N3_與來(lái)自陽(yáng)極區(qū)的質(zhì)子反應(yīng)，合成氨，進(jìn)而完成了本發(fā)明。為了達(dá)到上述目的，權(quán)利要求1的氨的合成方法的發(fā)明，其特征在于，在電解質(zhì)相中，以規(guī)定間隔配置陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極區(qū)供給水(H2O)的同時(shí)，照射光，水通過光吸收反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)，在陰極區(qū)供給氮?dú)?N2),通過導(dǎo)線將在陽(yáng)極區(qū)生成的電子(e_)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)，在陰極區(qū)形成N3—，通過使在電解質(zhì)相內(nèi)從陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)側(cè)的質(zhì)子(H+)與N3-進(jìn)行反應(yīng)，合成氨(NH3)。權(quán)利要求2的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨的合成方法，其特征在于，在陽(yáng)極具有光催化劑，光照射在陽(yáng)極區(qū)，水通過光催化反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子、電子及氧氣。權(quán)利要求3的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氨的合成方法，其特征在于，照射在陽(yáng)極區(qū)的光是太陽(yáng)光或由光照燈照射的可見光。發(fā)明效果權(quán)利要求1的氨的合成方法的發(fā)明，其特征為在電解質(zhì)相中，以規(guī)定間隔配置陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極區(qū)供給水(H2O)的同時(shí)，照射光，水通過光吸收反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)，在陰極區(qū)供給氮?dú)?N2),通過導(dǎo)線將在陽(yáng)極區(qū)生成的電子(e_)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)，在陰極區(qū)形成N3—，通過使在電解質(zhì)相內(nèi)從陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)側(cè)的質(zhì)子(H+)與儼進(jìn)行反應(yīng)，合成氨(NH3),根據(jù)權(quán)利要求1的發(fā)明，能夠不使用氫氣而合成氨，由于不使用現(xiàn)有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會(huì)因化石燃料的上漲導(dǎo)致氨的制備成本上升，也不會(huì)因二氧化碳(CO2)的排放導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的負(fù)荷，并且因?yàn)槭窃诔?、常壓下的合成，能源消耗和設(shè)備規(guī)模小，具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異的效果。權(quán)利要求2的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1所述的氨的合成方法，其特征在于，在陽(yáng)極具有光催化劑，光照射在陽(yáng)極區(qū)，水通過光催化反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子、電子及氧氣，根據(jù)權(quán)利要求2的發(fā)明，通過使用光催化劑，能夠起到迅速促進(jìn)水的分解反應(yīng)，高效地合成氨的效
果O權(quán)利要求3的發(fā)明是根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氨的合成方法，其特征在于，照射在陽(yáng)極區(qū)的光是太陽(yáng)光或由光照燈照射的可見光，根據(jù)權(quán)利要求3的發(fā)明，由于太陽(yáng)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(jìn)水的分解反應(yīng)，高效地合成氨的效果。


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

本發(fā)明的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限定于此。圖1為表示本發(fā)明的氨的合成方法的實(shí)施裝置的具體例的流程圖，參照該圖，本發(fā)明的氨的合成方法是在電解質(zhì)相中以規(guī)定間隔配置陽(yáng)極和陰極。在陽(yáng)極區(qū)供給水(H2O)的同時(shí)，照射光，水通過光吸收反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)。在陰極區(qū)，供給氮?dú)?N2),通過導(dǎo)線將在陽(yáng)極區(qū)生成的電子(e_)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)，在陰極區(qū)形成N3_，通過使在電解相內(nèi)從陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)側(cè)的質(zhì)子(H+)與N3_反應(yīng)，合成氨(NH3)陽(yáng)極區(qū)，供給水(H2O)的同時(shí)，照射光，水因光吸收反應(yīng)分解，形成質(zhì)子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)。在本發(fā)明的氨的合成方法中，陽(yáng)極區(qū)及陰極區(qū)的化學(xué)反應(yīng)如下。陽(yáng)極反應(yīng):H20+ hv — 1/202 + 2H+ + 2e陰極反應(yīng):N2+ 6e_ — 2N3_:N3>3H+ — NH3根據(jù)本發(fā)明的氨的合成方法，能夠在不使用氫氣的情況下合成氨，由于不使用現(xiàn)有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會(huì)因化石燃料的上漲導(dǎo)致氨的制備成本上升，也不會(huì)因二氧化碳(CO2)的排放導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的負(fù)荷，并且由于是在常溫、常壓下的合成，因此能源消耗和設(shè)備規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異。在本發(fā)明的氨的合成方法中，優(yōu)選在陽(yáng)極具有光催化劑，光照射在陽(yáng)極區(qū)時(shí)，水通過光催化反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子、電子及氧氣。這里，作為陽(yáng)極的基板，優(yōu)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(yōu)選使用例如Ni多孔體，負(fù)載鎳、鐵或釕的Ni多孔體，碳紙，或負(fù)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(yīng)型光催化劑，即在可見光下表現(xiàn)出光催化活性的催化劑。作為這樣的可見光響應(yīng)`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(tài)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(jìn)水的分解反應(yīng)，從而高效地合成氨。 在本發(fā)明的氨的合成方法中，照射在陽(yáng)極區(qū)的光優(yōu)選太陽(yáng)光或由光照燈照射的可見光。這里，作為光照燈，優(yōu)選使用例如氙氣燈、氪燈等。由于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(jìn)水的分解反應(yīng)，從而高效地合成氨。實(shí)施例接下來(lái)，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，但本發(fā)明并不限定于此。實(shí)施例1
首先，使用0.002N的硫酸(H2SO4)水溶液作為電解質(zhì)相的電解質(zhì)。作為陽(yáng)極，使用帶有銦錫氧化物(ΙΤ0)的基板，并在ITO基板上涂布可見光響應(yīng)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(zhì)相中，以規(guī)定間隔配置具有光催化劑的陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極區(qū)供給水(H2O)的同時(shí)，通過氙氣燈照射300W的由可見光構(gòu)成的光。因此，在陽(yáng)極區(qū)，水通過光催化反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)。另一方面,在陰極區(qū)，以100ml/min的流速通入氮?dú)?N2)。在兩極間施加2.8^3.4V的電壓，測(cè)定此時(shí)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率。由此，通過導(dǎo)線將在陽(yáng)極區(qū)生成的電子(e_)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)，在陰極區(qū)，氮?dú)?N2)通過接受電子(e_)形成N3—，并通過使在電解質(zhì)相內(nèi)從陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)側(cè)的質(zhì)子(H+)與N3_反應(yīng)，生成氨(NH3)。生成的氨與通入陰極區(qū)的氮?dú)庖黄饛难b置排出。在本發(fā)明的實(shí)施例的氨的合成方法中，陽(yáng)極區(qū)及陰極區(qū)的化學(xué)反應(yīng)如下。陽(yáng)極反應(yīng):H20+ hv — 1/202 + 2H+ + 2e陰極反應(yīng):N2+ 6e_ — 2N3_:N3>3H+ — NH3結(jié)果，可以確認(rèn)氨合成反應(yīng)開始前由硫酸水溶液構(gòu)成的電解質(zhì)相的離子電導(dǎo)率為0.84mS/cm,與此相 對(duì)，氨合成反應(yīng)后的硫酸水溶液的電解質(zhì)相的離子電導(dǎo)率降低至
0.50mS/cm,并生成氨。
權(quán)利要求
1.一種氨的合成方法，其特征在于，在電解質(zhì)相中，以規(guī)定間隔配置陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極區(qū)供給水(H2O)的同時(shí)，照射光，水通過光吸收反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子(H+)、電子(e_)及氧氣(02)，在陰極區(qū)供給氮?dú)?N2);通過導(dǎo)線將在陽(yáng)極區(qū)生成的電子(e_)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)，在陰極區(qū)形成N3_，通過使在電解相內(nèi)從陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)側(cè)的質(zhì)子(H+)與N3_反應(yīng)，合成氨(NH3)0
2.如權(quán)利要求1所述的氨的合成方法，其特征在于，陽(yáng)極具有光催化劑，光照射在陽(yáng)極區(qū)，水通過光催化反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子、電子及氧氣。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氨的合成方法，其特征在于，照射在陽(yáng)極區(qū)的光是太陽(yáng)光或由光照燈照射的可見光。
全文摘要
本發(fā)明提供一種氨的合成方法，其能夠不使用氫氣而合成氨，由于不使用現(xiàn)有的作為氫源的天然氣等化石燃料，因此不會(huì)因化石燃料上漲導(dǎo)致氨的制備成本上升，也不會(huì)因二氧化碳的排放導(dǎo)致對(duì)環(huán)境的負(fù)荷，并且由于是在常溫、常壓下的合成，能源消耗、設(shè)備規(guī)模小，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異。該氨的合成方法是在電解質(zhì)相中，以規(guī)定間隔配置陽(yáng)極和陰極，在陽(yáng)極區(qū)供給水的同時(shí)，照射光，水通過光吸收反應(yīng)而分解，形成質(zhì)子、電子及氧氣，在陰極區(qū)供給氮?dú)?，通過導(dǎo)線將在陽(yáng)極區(qū)生成的電子轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)，在陰極區(qū)形成N3-，通過使在電解質(zhì)相內(nèi)從陽(yáng)極區(qū)轉(zhuǎn)移至陰極區(qū)側(cè)的質(zhì)子與N3-反應(yīng)，合成氨。
文檔編號(hào)B01J35/02GK103108994SQ20118003539
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者日數(shù)谷進(jìn), 森匠磨, 荒木貞夫 申請(qǐng)人:日立造船株式會(huì)社