[发明专利]一种具有电催化还原二氧化碳性能的复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有电催化还原二氧化碳性能的复合材料及其制备方法和应用。其中，该复合材料为三维网络状结构，包括三维多孔碳支架，在所述三维多孔碳支架上负载有钴元素，形成钴‑碳活性催化中心，或者在所述三维多孔碳支架上负载有钴元素和氧元素，形成钴‑碳‑氧活性催化中心。所述钴‑碳活性催化中心由腐植酸‑酚醛树脂泡沫与水溶性钴盐经水热反应再经热处理形成，所述钴‑碳‑氧活性催化中心由腐植酸‑酚醛树脂泡沫与水溶性钴盐经水热反应和热处理，再与氧气反应形成。该复合材料稳定性好、电化学性能好、生产成本低、适宜于大规模制备。

技术领域

本发明涉及电化学及二氧化碳电催化还原技术领域，具体涉及一种具有电催化还原二氧化碳性能的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

19世纪的工业革命之后，化石燃料(如煤，石油，天然气)被我们开发成维持人类社会与经济发展的主要能源。化石燃料没有节制的使用给我们带来了一系列的问题。一方面，随着经济飞速发展人口迅速增多，全球对能源的需求持续增长，但是化石燃料是非再生型的能源，数目相当有限，因此能源危机日益严重。另一方面，大量化石燃料的使用使得大气中的CO₂气体年复一年的累积，到2015年7月，空气中的CO₂浓度已高达401.3parts permillion(ppm)，远超过了安全上限350ppm。过量的CO₂排放跟环境恶化有着密切关系，如全球变暖，沙漠化，冰川融化等。因此，减轻由于CO₂排放带来的问题已经是当代社会很紧急的一个问题。

为缓解当前问题，寻求解决路径，发展新的能源的利用如太阳能，风能，潮汐能等以及CO₂的资源再利用是现在能源领域最为热门的研究方向。其中，CO₂的资源化则不仅仅是有助于发展可利用的新能源，更是对大气中日益增加的CO₂找到了一个新出路。开发出高效的CO₂还原催化剂，在能源、经济、环境、等领域具有重大意义。

前人所研究的二氧化碳的电催化还原材料常用贵金属如Ag，Pd，Pt及毒性较大的Pb电极来实现，面临着原料昂贵，过电势高，法拉第效率低下等问题。因此，发展出法拉第效率高，更加廉价易得，可大规模制备的二氧化碳还原催化材料是实际所需。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种具有优良二氧化碳还原性能的复合材料及其制备方法和应用。该复合材料稳定性好、电化学性能好、成本低、适宜于大规模制备。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种具有电催化还原二氧化碳性能的复合材料，为三维网络状结构，其特征在于：所述复合材料包括三维多孔碳支架，在所述三维多孔碳支架上负载有钴元素，形成钴-碳活性催化中心，或者在所述三维多孔碳支架上负载有钴元素和氧元素，形成钴-碳-氧活性催化中心。

上述的具有电催化还原二氧化碳性能的复合材料，优选的，所述三维多孔碳支架为腐植酸-酚醛树脂泡沫，所述钴-碳活性催化中心由所述腐植酸-酚醛树脂泡沫与水溶性钴盐经水热反应再经热处理形成，所述钴-碳-氧活性催化中心由腐植酸-酚醛树脂泡沫与水溶性钴盐经水热反应和热处理，再与氧气反应形成。

作为一个总的技术构思，本发明另一方面提供了上述复合材料的一种制备方法，包括以下步骤：

(1)、取表面活性剂和水溶性金属钴盐溶于蒸馏水中，配制成表面活性剂-金属钴盐混合溶液；

(2)、取三维多孔碳支架作为碳基底材料，浸入步骤(1)所得表面活性剂-金属钴盐混合溶液中，然后进行水热反应，得到钴-碳前驱复合材料；

(3)、取步骤(2)所得钴-碳前驱复合材料在氢气和氩气的混合气气氛下进行热处理，得到具有电催化还原二氧化碳性能的钴-碳复合材料。