[发明专利]一种双金属气体扩散电极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种气体扩散电极及其制备方法以及在二氧化碳电化学还原制备一氧化碳中的应用。气体扩散电极包括气体扩散电极本体，以及负载在气体扩散电极本体上的二氧化碳电化学还原催化剂；所述二氧化碳电化学还原催化剂为多壁碳纳米管担载金基双金属，所述金基双金属由银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属构成。该气体扩散电极能够提高其在二氧化碳电化学还原中产物一氧化碳的法拉第效率，而且还能够有效抑制析氢反应。

技术领域

本发明涉及电化学催化领域，具体涉及一种气体扩散电极及其制备方法以及在二氧化碳电化学还原制备一氧化碳中的应用。

背景技术

二氧化碳电化学还原是二氧化碳资源化利用技术的一个重要方向，该技术能够将二氧化碳转化为气态的一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷以及液态的甲酸、甲醇、甲醛、乙酸、乙醇、乙醛、乙二醇、草酸等物质，在减缓二氧化碳所带来的温室效应的同时产生具有经济价值的化学品，具有环境和经济的双重效益，近年来受到广泛关注。

二氧化碳是碳的最高氧化阶段的产物，从化学变化的角度看，它处于稳定的状态，近乎于“惰性气体”，因而还原二氧化碳比较难。另外，二氧化碳电化学还原的第一步是CO₂+e^-→CO₂^-，其标准电势为-1.9V vs. SHE，过电势较高，成为了二氧化碳电化学还原中的速控步骤。而催化剂的引入，可以有效地稳定其中间产物，提高反应电势，降低过电势。

目前电化学还原二氧化碳能量利用率低、产物选择性差、催化剂易失活是限制其应用的主要因素，而解决这一问题的关键是开发具有专一选择性和高效催化活性的电极材料。

研究比较广泛的二氧化碳电化学还原材料是铜、金、银、钯、钴、镍、锡、锌等金属及其复合物。不同的催化剂上还原产物的种类、法拉第效率、电流效率是不同的。例如金还原的主要产物是一氧化碳，锡还原的主要产物是甲酸。相对于其他材料，金催化二氧化碳转化为一氧化碳具有较高的法拉第效率。因而成为近年来二氧化碳电化学还原的研究重点。

金催化剂的晶型结构、纳米尺寸、形貌等对二氧化碳电化学还原的催化活性具有非常大的影响。美国德克萨斯大学奥斯丁分校的Trindell等人[J. Am. Chem. Soc.,2017, 139, 16161-16167.]的研究表明，经柠檬酸盐稳定的金纳米颗粒和封装在第六代羟基封端的聚酰胺基胺树枝状大分子中的金纳米颗粒，在-0.8V vs. RHE下进行电解反应仅15min，颗粒直径从约2nm增大到6~7nm，而使用更高代的第八代羟基封端的同系物封装的金纳米颗粒，尺寸没有发生明显变化，其对二氧化碳电化学还原的催化活性始终保持在较高的水平。此外，由于金的不同形貌，如金团簇、纳米金星、纳米金三角等，不但可以影响二氧化碳电化学还原反应的效率，还可以影响反应的还原产物。

中国专利CN107964669A提供了一种硼氮共掺杂金刚石电极，包括基体，设于所述基体表面的硼氮共掺杂金刚石层，所述硼氮共掺杂金刚石层包括设置于所述基体表面的平整结构层和设置于所述平整结构层表面的阵列凸起结构。该发明提供的硼氮共掺杂金刚石电极，通过将硼氮共掺杂金刚石层的表层设置为阵列凸起结构，增加了硼氮共掺杂金刚石层的比表面积和活性位点，从而提升了电极电催化还原CO₂的能力，最终减少了CO₂在大气中积累，实现了废物资源化利用，具有很强的实用性。

目前二氧化碳电化学还原的产物主要为一氧化碳、甲酸、甲醇等，高效率地、高选择性地将二氧化碳转化为一氧化碳的催化材料仍十分稀少。因此，开发一种能够提高一氧化碳的法拉第效率的二氧化碳电化学还原材料是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气体扩散电极，通过在本体上负载多壁碳纳米管担载金基双金属，提高其在二氧化碳电化学还原中产物一氧化碳的法拉第效率和产率，而且还能够有效抑制氢气的生成。

本发明所提供的技术方案为：