[发明专利]一种二氧化碳电化学还原催化剂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原催化剂及其制备方法，所述催化剂具有特殊形貌与结构的高比表面积，从而提供更多的催化活性位，所述催化剂制备方法运用喷雾干燥的方法，将镍的前驱液与氧化石墨烯分散液喷雾干燥，随后混合硫粉置于管式炉中氩气气氛下煅烧，通过有效调控催化剂制备条件，极大地提高二氧化碳与催化剂的接触比表面积，同时有效抑制二氧化碳还原过程中伴随的析氢反应，提高CO₂的利用率和转化率，提高法拉第效率。

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原催化剂及其制备方法，特别涉及一种硫化镍复合石墨烯二氧化碳电化学还原催化剂的制备方法，属材料化学领域。

背景技术

化石燃料的大规模应用造成了二氧化碳的过量排放，由于大气中二氧化碳的增多而导致全球气候变暖。为了解决上述问题，人们利用可再生资源如太阳能、风能、潮汐能所产生的电能等将大气中过多的二氧化碳经电化学还原，转化为有价值的工业原料如甲烷、甲醇、甲酸等。因此电化学还原二氧化碳的方法是一种清洁、高效、环保的方法。

然而，由于二氧化碳是热力学上最稳定的碳化合物之一，因此将其转化为其他碳化合物需要高能还原剂或外部能量来源。已有报道二氧化碳可以被多种不同金属如铜、银、锡等电化学还原制备一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸等。如：金属锡对甲酸有很强的选择性，甲酸产率能高达95％，然而随着还原反应的进行，锡板电极表面会生成金属有机配合物，加快析氢速率，降低甲酸的产率。再如银催化剂对二氧化碳还原为一氧化碳具有较高的选择性，然而不足之处是需要较高的过电位。众所周知，理想的电催化剂应当满足在较低的过电位下，以较高的电流效率产生单一产物，因此研制一种新型结构的催化剂以满足上述要求就显得至关重要。

发明内容

本发明提供一种性能优异的硫化镍复合石墨烯催化剂的制备方法及其在二氧化碳电催化还原中的应用。本发明解决该技术问题所采用的技术方案如下：

一种硫化镍复合石墨烯催化剂的制备方法，包括以下步骤：

第一步制备前驱体材料：

利用Hummer法制备氧化石墨烯分散液，在分散液中加入硝酸镍粒径为30-100nm的聚甲基丙烯酸甲酯纳米球，超声30-60min得到混合均匀的溶液，在120℃-160℃条件下进行喷雾干燥，收集产物得到前驱体材料。

进一步地，所述第一步中石墨烯分散液浓度为1-5mg/mL；

进一步地，所述第一步中硝酸镍在氧化石墨烯分散液中浓度为 0.01-0.2g/mL，聚甲基丙烯酸甲酯纳米球在石墨烯分散液中浓度为 0.05-0.4g/mL。

第二步制备硫化镍复合硫掺杂石墨烯催化剂

取第一步中制备好的前驱体材料与纳米硫粉放入球磨罐内进行处理，将球磨后得到的混合物放入氮气保护下的管式炉中高温煅烧，得到硫化镍复合硫掺杂石墨烯催化剂。

进一步地，所述第二步中前驱体材料与纳米硫粉质量比为1：2-5。

进一步地，行星式球磨机转速为500-800r/min，处理时间为3-5h。

进一步地，管式炉中煅烧温度为100-200℃，时间为8-24h。

本发明的有益效果如下：

本发明第一步引入聚甲基丙烯酸甲酯，并利用喷雾干燥将其与石墨烯进行复合，在第二步中利用高温煅烧除去聚甲基丙烯酸甲酯得到中空的三维石墨烯。在制备过程中精心的设计了最终产物的结构，利用喷雾干燥将石墨烯与硫化镍有机地结合在一起，并最终得到硫化镍复合石墨烯材料，对二氧化碳还原兼具高的电催化活性和选择性，特别是能显著提高对二氧化碳利用的能量效率。此外，该发明的催化剂制备方法操作简单、绿色、产率高，应用前景广阔。

附图说明