[发明专利]一种二氧化碳电化学还原电极的制备及其应用

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原用气体扩散电极及其制备和应用，属于二氧化碳资源化技术领域。所述的电极制备方法是将制备的催化剂和5wt％Nafion溶液加入到乙醇溶液(催化剂含量为0.01‑0.03g/ml,Nafion含量为0.1‑0.2ul/ml)，超声0.5‑2h,然后将其涂覆到玻碳电极表面，经过干燥最终得到所述的电极。电极中催化剂的担载量为0.27‑0.81mg/cm^‑2.本发明所提供的制备方法简单/易控，使用可再生的生物质香蒲绒为碳源，价格低廉，且具有优异的CO₂电化学还原制备CO的法拉第效率和稳定性。

技术领域

本发明属于二氧化碳电化学还原技术领域，特别涉及一种多孔纳米片电极的制备及其应用。

背景技术

当前，我国经济与社会正处于高速发展阶段，对能源的需求日益增加，随之带来严重的二氧化碳排放问题。据国际能源机构(IEA)的最新报告估计，2017年全球CO₂排放量达410亿吨，比2016年增加了2％。因此，如何减少CO₂的排放，有效利用CO₂成为了近年来研究的热点。

CO₂的转化与利用主要包括以下四类:化学转化、生物化学转化、光化学转化及电化学转化。与其他CO₂转化技术相比，电化学还原CO₂(ERC)技术的突出优势在于可利用水作为反应的氢源，在常温常压下即可实现CO₂的高效转化，因此不需要化学转化技术所需的制氢及加温、加压所造成的能量消耗。

电化学还原CO₂(ERC)技术是利用可再生能源产生的电能将CO₂还原为化学品，实现CO₂资源化利用的一种技术。通过电化学技术使CO₂直接与H₂O反应生成高附加值的化合物，如乙醇、甲烷及烃类化合物等，实现电能与化学能之间的转换。不但使ERC技术更具经济性，还可以实现可再生能源的储存，并形成一个碳和能量转化循环。目前，制约ERC技术发展的主要因素包括：(1)反应过电位高；(2)转化率低；(3)产物选择性差。因此，寻找合适催化剂降低反应过电位、提高产物选择性和反应的活性当今研究的关键。目前对于催化剂的研究主要集中于金银等贵金属催化剂，虽然选择性高，价格昂贵，不适合大规模商业化生产。然而对于非金属催化剂研究相对较少，主要集中在氮掺杂碳纳米管和石墨烯，虽然实现和贵金属相似的选择性，但也同样存在价格昂贵的问题。因此，寻找一种价格低廉，高选择性，高活性的催化剂是当今研究的关键。

基于以上问题，寻找一种生物质香蒲，通过简单的煅烧炭化处理，得到了富含多孔结构的氮掺杂催化剂。实现在较低过电位下，与贵金属相似的CO法拉第效率。这种催化剂不仅价格低廉、可再生，而且自身多孔结构形成一种气体扩散电极，这种结构不但可以提高电极的有效活性面积，还可以提高反应物的传输，从而降低传质极化，提高催化性能。本发明方法简单、成本低、催化性能好，有利于大规模商业化生产。

发明内容

该发明针对上述问题，本发明将一种具有特殊孔结构的生物质香蒲，通过高温煅烧炭化处理，得到了富含多孔结构的氮掺杂催化剂。这种催化剂不仅价格低廉、可再生，而且自身多孔结构形成一种气体扩散电极，这种结构不但可以提高电极的有效活性面积，还可以提高反应物的传输，从而降低传质极化，实现在较低过电位下，与贵金属相似的CO法拉第效率。

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

1)将香蒲绒放入反应釜中，加入水至反应釜体积的1/3-2/3，香蒲绒含量为0.05-0.10g/ml，水热处理在160-180℃，12-24h；

2)水热处理后的产物先用蒸馏水冲洗三次以上，然后干燥12-24h；

3)取干燥后样品加入碱溶液进行活化(样品的浓度为0.1-0.3g/ml)，然后冷冻干燥12-24h；