[发明专利]一种用于甲烷电催化氧化的催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种用于甲烷电催化氧化的催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂包括金属Ni和NiO，所述NiO包覆所述金属Ni，NiO占催化剂0.1~10wt%，采用一种简单方法在Ni上生成NiO薄层，所述催化剂在碱性水溶液和恒电位法条件下对甲烷进行催化氧化，产生一氧化碳、甲醇、乙醇产物，特别是乙醇的产生，可以在常温常压下，将甲烷转化为C2产物，产量最大可以达到288.7μmol/(g·h)，具有重要的经济价值。本发明所制备的催化剂具有活性高，成本低廉、制备操作简便以及可以用于工业放大实验等优点。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域，涉及一种用于甲烷电催化氧化的催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

甲烷不仅是优质气体燃料，也是一种清洁能源，也是制造合成气和许多化工产品的重要原料。甲烷作为天然气中的主要成分，资源十分丰富，然而目前对天然气的利用极为有限。因此，如何充分开发和利用天然气资源是众多科研人员努力研究的方向。人们希望把天然气直接用于电催化，直接氧化甲烷使其转化为对人类更为有用的碳-碳化合物。

在常温下对甲烷直接电催化氧化的研究是一个漫长的过程，科研工作人员在上世纪60年代就开始了研究，发现甲烷在Pt、Au、Pd、Rh、Ru等贵金属电极上电氧化时显示了不同的催化氧化活性，其中，CO₂是电催化氧化过程的主要产物。为了更好的有效利用甲烷，本发明提供一种包含NiO的催化剂作为甲烷电催化氧化的催化剂，在碱性水溶液和恒电位条件下，Ni²⁺/Ni³⁺的转变显著，对甲烷具有显著的催化氧化，产生一氧化碳、甲醇和乙醇等产物。其中在甲烷的电催化中，产生了乙醇，发生了碳-碳键结合，形成了C2化合物，具有重要意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于甲烷电催化氧化的催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂包括金属Ni和NiO，所述NiO包覆所述金属Ni，NiO占催化剂0.1～10wt％，采用一种简单方法在Ni上生成NiO薄层，所述催化剂在碱性水溶液和恒电位法条件下对甲烷进行催化氧化，产生一氧化碳、甲醇、乙醇产物，特别是乙醇的产生，可以在常温常压下，将甲烷转化为C2产物，产量最大可以达到200μmol/(g·h)，具有重要的经济价值。本发明所制备的催化剂具有活性高，成本低廉、制备操作简便以及可以用于工业放大实验等优点。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明第一方面提供一种用于甲烷电催化氧化的催化剂，包括金属Ni和NiO，所述NiO包覆所述金属Ni，NiO占催化剂0.1～10wt％，如0.1～0.36wt％、0.36～1.73wt％、1.73～2.14wt％、2.14～2.33wt％、2.33～4.6wt％、4.6～8.04wt％、8.04～9.87wt％或9.87～10wt％。

本发明第二方面提供上述催化剂的制备方法，将金属Ni在焙烧气氛下进行焙烧，即得所述催化剂。

优选地，还包括如下技术特征中的一项或多项：

1)所述金属Ni选自镍片、镍丝、镍箔和泡沫镍中的一种或多种；

2)所述焙烧气氛选自空气气氛、氧气气氛中的一种或多种；更优选地，所述焙烧气氛为空气气氛；

3)焙烧气氛的气体流速为10-300ml/min，如10-200ml/min或200-300ml/min；更优选地，焙烧气氛的气体流速为150-300ml/min；

4)焙烧温度为100-1000℃，如100-400℃、400-450℃、450-500℃、500-550℃、550-600℃或600-1000℃；更优选地，焙烧温度为350-650℃；

5)焙烧时间为0.1-100h，如0.1-0.5h或0.5-100h；更优选地，焙烧时间为0.1h-10h；