[发明专利]一种聚吡咯/纳米铜复合气体扩散电极及其制备和应用

说明书

技术领域:

本发明涉及二氧化碳电化学还原，属于二氧化碳的资源化利用技术领域，具体涉及聚吡咯/纳米铜还原二氧化碳生产有机化合物。

背景技术:

随着世界人口的不断增长、现代工业的快速发展，尤其以化石燃料为主要能源的工业发展，二氧化碳排放量不断增加，导致全球气候变暖已经成为亟待解决的问题。二氧化碳作为全球最主要的温室气体，它的减排已成为全球关注的话题及科研热点。

减少化石燃料的使用量，同时将二氧化碳转化为其他化工原料，是实现二氧化碳减排的重要途径。二氧化碳的深埋储存法，对减轻温室效应有一定的积极作用，但是难以达到完全破解温室效应，更不能将其循环利用。如何将多余的二氧化碳转变为其他化工原料，达到即可解决环境问题又能实现可持续发展，是世界各国科学家正在努力探索的问题。

二氧化碳化学稳定，常被看做是惰性物质，需要采用高温、高压或是催化剂才能使其发生化学反应。因此，发展二氧化碳化学的的研究工作关键是将其活化。目前主要采用的有催化加氢、电化学还原、光电化学等方法。电化学方法可以避免高温高压的缺点，并且通过改变电位还可以控制反应速度以及产物的分布。因此，电化学还原方法相对于其他还原方法具有更好的应用前景。

电化学方法将二氧化碳还原成可用的有机小分子燃料是可行的方法，产生甲烷、乙烷、乙烯、甲醇、乙醇、甲酸等有价值的产物。然而，由于二氧化碳电化学动力学缓慢，常常需要较大的过电位，带来较高的析氢副反应的发生，从而导致能源利用率降低。聚吡咯的修饰可以有效的抑制析氢副反应的发生，提高产物的法拉第效率及二氧化碳的转化率。

发明内容

本发明目的在于制备一种用于二氧化碳还原的聚吡咯/纳米铜复合气体扩散电极及其制备和应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种聚吡咯/纳米铜复合气体扩散电极，其特征在于：以炭纸或炭布为基底，于基底表面附着有厚度为0.05-1.0μm聚吡咯层，于聚吡咯层上沉积0.1-1.0μm纳米铜材料层。

a)在室温下将炭纸或炭布基底放入质量浓度为65％-68％的浓硝酸中浸泡12-48小时，将浸泡过的基底先后用去离子水和无水乙醇冲洗，用惰性气体氮气或氩气吹干，备用。

b)将处理后的基底剪裁所需的形状和尺寸，置于聚酯框内，使基底的四周边缘与聚酯框相搭接，用铜箔做集流元件，在0.4-1.0MPa，80-130度的条件下热压1-2分钟，即可得以炭纸或炭布为基底的集流体。

c)用三电极电解池，在室温下加入含有0.01-0.1mol/L支持电解质的吡咯水溶液在0.7V-0.9V下恒电位进行电化学聚合，吡咯水溶液中吡咯的浓度为0.05-0.5mol/L，聚合前通氮气30min，即可得到导电聚合物气体扩散电极。

d)用三电极电解池，在室温下加入0.1-1.0mol/L硫酸铜水溶液(PH＝1-6)，溶液PH用0.1-1.0mol/L的硫酸来调节，在-0.65V到-1.05V的任意一电压下恒电位进行电化学沉积，即可得到导电聚合物/纳米铜复合气体扩散电极。

所述气体扩散电极作为工作电极用于二氧化碳电化学还原反应中。

本发明具有如下优点：

本发明的气体扩散电极在炭基电极上聚合聚吡咯并沉积纳米铜，可以有效的抑制析氢副反应的发生，提高产物的法拉第效率及二氧化碳的转化率。

附图说明

图1为实施例1中制备的聚吡咯/纳米铜气体扩散电极和纳米铜气体扩散电极在0.5mol/L碳酸氢钠溶液中的氢气法拉第效率对比图。

具体实施方式

实施例1：

在室温条件下将Toray030炭纸放入浓硝酸中浸泡12小时，将浸泡过的炭纸先后用去离子水和无水乙醇分别冲洗三次，然后用氩气吹干。将吹干后的炭纸剪裁成15mm*20mm大小的方形炭纸，用铜箔做集流，用聚酯框做边框，在0.6MPa，100度的条件下热压1分钟，即可得到以基底电极；将该基底电极放入含有0.1mol/L高氯酸锂、0.15mol/L吡咯的水溶液中，在0.855V下恒电位聚合5min，即可得到厚度为0.3μm聚吡咯气体扩散电极；然后，将该电极放入0.15mol/L硫酸铜和0.5mol/L硫酸混合溶液中，在-0.65V条件下恒电位聚合5min，即可得到聚吡咯/纳米铜复合气体扩散电极。