[发明专利]一种氧空位富集氮掺杂氧化锡及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电催化技术领域，公开了一种氧空位富集氮掺杂氧化锡及其制备方法和应用，制备过程为先将双氰胺在特定温度和时间下焙烧，然后将得到的块状C₃N₄研磨至粉末状，特定温度和时间下焙烧，再将得到g‑C₃N₄纳米片与SnCl₂·2H₂O按照1:1的质量比研磨混合，特定温度和时间下焙烧，所得产物收集研磨得到Ov‑N‑SnO₂纳米颗粒；该氧空位富集氮掺杂氧化锡可在电催化二氧化碳还原制甲酸中应用。本发明主要通过焙烧方式，利用石墨化－氮化碳的热不稳定性以及丰富氮含量的特性，与二水合二氯化锡混合焙烧反应，实现氧空位富集的氮掺杂氧化锡材料的合成，所形成的催化剂颗粒表现出优良的二氧化碳制甲酸性能。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体的说，是涉及一种电催化二氧化碳还原制甲酸催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

传统化石燃料过渡消耗导致大气中二氧化碳浓度逐年增高，引起温室效应，海平面上升等一系列能源与环境危机¹。利用电化学方法将二氧化碳转换成高附加值产物是一种有效的转换手段²。在众多的还原产物中，甲酸作为一种理想的液态储氢材料与甲酸燃料电池的重要组成部分，受到广泛关注³。此外，相比于甲醇，甲烷，乙烯等多电子产物，电催化二氧化碳还原制甲酸涉及一个两电子质子耦合过程，还原过程也较为可行。尽管如此，反应过程中仍然设计CO₂的一电子活化以及副产物CO与H₂的竞争，因此设计高活性，高选择性和高稳定性的甲酸催化剂仍是当前研究的热点问题。

氧化锡材料由于其储量丰富，成本低，易于结构调控，受到广泛研究⁴。目前，已有对此类材料进行形貌设计，粒径调控，表面电子结构调节等的研究。例如，Zhang课题组用碳布做基底合成出三维多孔结构SnO₂纳米片，在0.88V的过电位下表现出87％的甲酸选择性以及45mAcm^-2的电流密度⁵；Meyer课题组采用水热手段合成出不同粒径的SnO₂纳米颗粒并且研究发现5nm的粒径可以有效催化CO₂还原生成甲酸，选择性可达到93％⁶。此外，通过对比不同电子特性的石墨烯与活性炭载体，他们还发现载体电子结构可以调控吸附态CO₂的稳定性，进而促进甲酸的生成；Kanan课题组构建了SnO_x/Sn催化剂，发现表层SnO_x存在一个最优厚度去催化CO₂生成甲酸的反应⁷。

不难发现，相应的研究虽然从材料的几何形貌，电子结构，载体等方面进行了改进，但是针对性的提升CO₂吸附活化，以及甲酸选择性这两个方面并没有做出详细研究。相较于简单的材料设计，从反应机理角度出发进行材料设计，将大大提升SnO₂催化剂活性。

参考文献：

1.J.Carlos Abanadesa,Edward S.Rubinb,Marco Mazzottic,Howard J.Herzog,On the climate change mitigation potential of CO₂conversion to fuels,EnergyEnviron.Sci.2017,10,2491-2499.

2.Jinli Qiao,Yuyu Liu,Feng Hong,Jiujun Zhang,A review of catalystsfor the electroreduction of carbon dioxide to produce low-carbon fuels,Chem.Soc.Rev.2014,43,631-675.