[发明专利]用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂，该电催化剂为钴氮共掺杂的导电碳基体。该电催化剂原子利用率高，具有高的催化活性和选择性，能有效地催化非均相体系中二氧化碳还原为一氧化碳。本发明还公开了该电催化剂的制备方法，该方法利用廉价的金属钴盐的含氮分子配合物负载导电碳基体在低温条件下一步还原裂解得到单原子分散态的高活性纳米电催化剂，这种分子裂解方法得到的催化剂具有特殊的单原子分散状态，较聚集和团簇状态暴露的活性位点多，原子利用率高，对提高催化剂的活性和选择性有重要作用。本发明还公开了该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用。

技术领域

本发明涉及纳米材料电催化剂领域。更具体地，涉及一种用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂制备和应用。

背景技术

纳米单原子电催化剂材料独特的小尺度效应和单分散状态使其具有较高比表面，较高电子传输速率，较高原子利用率和较高稳定性，在能源催化领域的应用备受关注，如电解产氢，电解产氧，氧气电还原，电催化合成构建碳循环，以及二氧化碳的电催化还原。基于铁钴镍铜锰等廉价金属的纳米单原子电催化剂很大程度降低了制备成本，减少了重金属对环境的污染，在规模化应用中具有广泛的前景。近年来纳米单原子电催化剂的制备方法呈现多样化趋势，包括质量选择软着陆法和原子层沉积法，由于制备成本较昂贵因而在规模化应用中有一定局限性。新兴的湿化学合成法包括共沉淀法和浸渍法，由于操作方法简便利于实现规模化制备。但是因为纳米单原子催化剂制备过程的可调控性差和金属本身的化学活泼性，使金属的氧化和聚集团簇现象难以避免，导致催化剂材料成分复杂多样，从而使暴露的活性位点减少，降低了催化剂的原子利用率和催化活性。进一步地，使得该催化剂在电解产氢、电解产氧、氧气电还原、二氧化碳的电催化还原等反应中的原子利用率和催化活性。

针对以上问题，需要提供一种新的催化还原剂。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂，该电催化剂原子利用率高，具有高的催化活性和选择性，能有效地催化非均相体系中二氧化碳还原为一氧化碳。

本发明的第二个目的在于提供一种用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂的制备方法，该制备方法简单，制备得到的所述电催化剂具有单原子分散状态，没有团簇和较大金属颗粒存在。

本发明的第三个目的在于提供一种用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂在二氧化碳还原中的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂，其特征在于，所述电催化剂为钴氮共掺杂的导电碳基体。

优选地，所述导电碳基体选自导电碳黑、石墨烯、碳纳米管中的一种。

优选地，所述钴氮导电碳基体的粒径小于1nm。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

将钴盐的水溶液、含氮配体的乙醇溶液混合均匀后得配合物溶液；

向该配合物溶液中加入导电碳基体，分散均匀后，干燥得前驱体混合物；

研磨该前驱体混合物，在惰性保护气氛条件下煅烧，研磨，酸洗，干燥，得所述用于非均相体系还原二氧化碳的电催化剂。

该制备方法中，通过后续酸洗处理除去多余的金属颗粒和团簇，最终得到单一分散状态的钴氮共参杂纳米电催化剂，实现了催化剂的可控制备，使催化剂电催化活性得到显著提高。该方法制备成本低，操作简便，易于实现规模化应用。优选地，所述酸为醋酸、稀盐酸或稀硫酸；更优选地，所述酸为醋酸，醋酸腐蚀性低，易于操作。