[发明专利]一种高效电催化还原二氧化碳制备甲酸的电极

说明书

本发明涉及的是一种高效电催化还原二氧化碳制备甲酸的电极，属于电催化技术领域。具体包括如下步骤：(1)在导电衬底上利用化学气相沉积制备SnS₂纳米片前驱体；(2)将SnS₂前驱体在空气中煅烧，获得白色多孔SnO₂纳米片；(3)将白色SnO₂纳米片置于氢气和氩气的混合气氛中退火获得黑色多孔SnO₂纳米片。本发明作为电催化还原二氧化碳催化剂电极，展现出了优异的电催化还原二氧化碳制甲酸的性能：在0.51V的过电位下二氧化碳转化为甲酸的法拉第转化效率达到92.4％，在‑0.60至‑1.10V(相对于可逆氢电极，RHE)电压范围内甲酸的法拉第转化效率可稳定在90±2％，以及在‑1.10V(vs.RHE)能够持续至少10小时获得11.4±0.3mA/cm²的电流密度和90±0.5％的甲酸法拉第转化效率。

技术领域

本发明涉及一种高效电催化还原二氧化碳制备甲酸的电极，属于电催化领域。

背景技术

发展二氧化碳的利用和转化技术，不仅有望缓解温室效应乃至能源危机，而且对实现节能减排和低碳经济亦具有巨大而深远的战略意义。与其他二氧化碳还原技术相比，由于电催化还原具有耗能低、操作简便、可控性强等优点，进而成为当前备受关注的二氧化碳转化路径。尽管近年来在电催化还原二氧化碳方面，人们已经开发出了包括金属、金属氧化物、金属硫化物及碳基材料等多种类型的催化剂。然而，一方面由于二氧化碳分子非常稳定，其还原需要提供较高过电位，反应过程复杂、产物多样；另一方面，二氧化碳的还原电势与水的还原电势接近，二氧化碳电还原反应和水还原反应存在竞争关系。因此，目前所报道的催化剂在电催化还原二氧化碳中存在着过电位较高、催化活性和产物选择性较低等问题，极大阻碍了其实际应用和产业化进程。

SnO₂作为一种资源丰富、环境友好的无机半导体材料，其物理化学性质稳定，且具有良好的电学和结构特性，在电催化还原二氧化碳应用方面引起了广泛重视和研究。有报道显示，SnO₂可作为一种优良的电催化剂，能够选择性地将二氧化碳还原为甲酸，其法拉第转化效率超过80％(B.Kumar et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,3645；S.Zhang etal.,J.Am.Chem.Soc.,2014,136,1734.)，展现出良好的发展与应用前景。但与此同时，SnO₂催化剂在电催化还原二氧化碳反应中所需要的过电位却往往高达0.71乃至1.16V，严重阻碍了其规模化应用(B.Kumar et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,3645；S.Zhang etal.,J.Am.Chem.Soc.,2014,136,1734；F.Li et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,505.)。因此，提升SnO₂在电催化还原二氧化碳中的催化活性和产物选择性，降低反应的过电位成为近年来电催化还原二氧化碳领域的研究热点之一。大量研究表明，提高催化剂的导电性以快速有效地转移电子，增加表面活性位点数目以促进二氧化碳分子的吸附和活化，有望实现高效电催化还原二氧化碳。但如何在提高活性位点数目同时维持高的导电性仍是电催化还原二氧化碳催化剂在设计与制备过程中面临的重大挑战。因此，有必要发展一种兼具高的导电性和高的表面活性位点数目的催化电极，以全面提升其电催化还原二氧化碳活性和效率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高效电催化还原二氧化碳制备甲酸的电极，通过克服传统优化策略在设计高效、稳定电催化还原二氧化碳催化剂方面的限制，开发出兼具高的电子传导能力和表面活性位点数目的黑色多孔SnO₂纳米片阵列电极，进而实现了高效高选择性地电催化还原二氧化碳制备甲酸。

本发明的技术方案如下：

一种高效电催化还原二氧化碳制备甲酸的电极，具体实施步骤如下：

步骤一：采用化学气相沉积工艺在导电衬底上制备SnS₂纳米片阵列前躯体；