[发明专利]阴极催化剂，阴极材料及其制备方法及反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种阴极催化剂，阴极材料及其制备方法，以及包含该阴极材料的反应器，用于二氧化碳电化学还原转化利用。

背景技术

以化石能源为核心的资源枯竭问题和以气候变化为核心的环境问题是当前人类面临的两大危机。自工业革命以来的上百年里，大量使用化石能源导致其资源短缺，对环境也产生了严重的负面影响, 以地球变暖为核心的全球环境问题日益严重，已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一，削减温室气体排放以减缓气候变化成为当今国际社会关注的热点。大量含碳能源的消耗加快了CO₂排放速度，打破了自然界CO₂循环的平衡，造成CO₂在大气中的积累，一方面形成温室效应引起气候变化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源将CO₂转化成含碳的化工原料或燃料则是实现能源和环境可持续发展亟待解决的关键课题。

目前，资源化利用CO₂主要通过化学转化、光化学还原、电化学还原、生物转化、CO₂与甲烷的重构或CO₂的无机转化等方式进行。由于CO₂是不活泼分子，化学性质稳定，因此利用化学转化需要在高温以及高压条件下进行，而且CO₂的转化率和回收率都不高，目前还难以商业化应用。

与其他CO₂转化利用路线相比，电化学还原转化颇具吸引力。电化学还原CO₂在常温常压下即可进行反应，反应条件温和且操作简单。另外，在电化学还原过程中，可通过电压、电流、温度等调节反应的选择性，有助于对产物的选择性合成。在电化学还原CO₂的过程中，阴极材料中催化剂的性能是决定电化学还原CO₂效率的决定性因素之一。现有技术中用于电化学还原CO₂的阴极材料中通常采用单一的金属或合金催化剂，然而在实际反应过程中存在反应活性较低，析氢严重，材料性能不稳定等问题，从而造成CO₂的转化率低。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种用于二氧化碳电化学还原转化，反应活性较高，且具有较高转化率的阴极催化剂、包含该阴极催化剂的阴极材料，以及应用该阴极材料的反应器以及转化利用方法。

一种阴极催化剂，用于二氧化碳电化学还原转化利用，包括一第一催化剂层，以及一第二催化剂层设置在所述第一催化剂层表面，其中，所述第二催化剂层为一多孔结构。

一种阴极材料，用于二氧化碳电化学还原转化利用，包括所述阴极催化剂。

一种反应器，用于二氧化碳电化学还原转化利用，包括：一电源；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内，以及一阴极设置在所述阴极室内；所述电源的两端分别与所述阴极与阳极电连接；所述阴极包括所述阴极材料。

一种阴极材料的制备方法，该阴极材料用于二氧化碳电化学还原转化利用，包括以下步骤：配置一电镀沉积液；以一第一催化剂片为电镀阴极，以及一第二催化剂材料为电镀阳极在所述电镀沉积液中进行电沉积，使所述第二催化剂材料沉积在所述第一催化剂片上形成一镀层，其中所述第一催化剂片和第二催化剂材料选用不同的材料；以及干燥该具有镀层的第一催化剂片，形成所述阴极材料，其中，该阴极材料中所述镀层为一多孔结构，且该镀层与所述第一催化剂片之间为物理结合。

相较于现有技术，本发明实施例采用一双催化剂层作为二氧化碳电化学还原的阴极催化剂，并且其中一催化剂层为多孔结构，该两层催化剂层的材料不同且之间为物理结合，从而在该两层催化剂层的界面结合处可以产生较好的协同效应，从而一方面可以提高该阴极催化剂的稳定性和催化活性，另一方面在二氧化碳转化过程中可以有效地抑制析氢反应，提高二氧化碳转化产物的生成效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于二氧化碳电化学还原转化的阴极催化剂的结构侧视示意图。

图2为本发明实施例提供的用于二氧化碳电化学还原转化的阴极催化剂中第二催化剂层的结构示意图。

图3为本发明另一实施例提供的用于二氧化碳电化学还原转化的阴极催化剂的结构侧视示意图。

图4为本发明实施例提供的用于二氧化碳电化学还原转化的阴极材料的结构侧视示意图。

图5为本发明实施例提供的用于二氧化碳电化学还原转化的阴极材料的制备方法的流程图。

图6为本发明实施例提供的用于二氧化碳电化学还原转化的反应器的结构示意图。