[发明专利]一种二氧化碳电化学还原用ZnSn电极的制备和应用

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原ZnSn电极的制备和应用，由基底层、纳米结构ZnSn电沉积层及其表面形成的还原层三层组成；所述的电极制备方法：将炭毡、炭纸再空气中进行处理，然后在乙醇、丙酮中进行除油、清洗后作为基底层；将ZnCl₂水溶液与SnCl₂水溶液及酸溶液进行混合加入表面活性剂，磁力搅拌后制备得到电解液；再以恒电流密度或者恒电位电沉积于基底层，并干燥处理；将带有ZnSn电极电沉积层的电极置于内有聚四氟乙烯套的反应釜中，加入反应液进行反应；再在一定电解质溶液中进行还原最终得到所述的电极。本发明所提供的制备方法简单、易控，所制备的电极结构可控，且具有优异的CO₂电化学还原制备甲酸和CO的选择性，电极也具有优异的电催化活性和稳定性。

技术领域

本发明属于二氧化碳电化学还原ZnSn电极的制备和应用技术领域，尤其涉及一种二氧化碳电化学还原ZnSn电极的制备和应用。

背景技术

随着我国经济与社会的高速发展，人类对能源的需求持续增加，CO₂气体的排放量也日益增长。电化学还原CO₂(ERC)技术是利用电能将CO₂还原为化学品，实现CO2资源化利用的一种技术，与其他CO₂转化技术相比，ERC技术的最大优势在于可以利用水作为反应的氢源，常温常压即可实现CO₂的高效转化，因此不需要制氢及加温、加压所需要额外消耗的能量，设备投资少。因而，它具有潜在的经济效益和环境效益，引起了人们广泛关注。

经过多年的研究，在ERC技术研究上取得了长足进展，但ERC反应过电位高、转化效率较低、产物选择性较差等瓶颈问题，限制了其实用化进程。电极是ERC的关键部件之一，其性能直接影响到ERC反应的转化效率和选择性。不同结构、组成的电极表面ERC转化效率、选择性是不同的。采用气体扩散电极与原有金属电极相比并无太大变化，但气体扩散电极的多孔效应加强了CO₂的扩散传递、增加了电极比表面积，可有效提高CO₂的电还原效率。研究表明，利用碱性质子交换膜电池结构和气体扩散电极，以纳米Pb、In、Sn作为阴极催化剂，生成的HCOOH电流效率高达80％。Zn基催化剂是催化CO₂还原的有效催化剂之一。

Zn是一种地壳中储量丰富的金属元素，价格低廉，可大规模应用于工业，将会使CO₂电化学还原的成本大大降低。作为一种环境友好的金属催化剂，Zn基催化剂是一种具有很大研究价值和应用前景的ERC催化剂。但是目前Zn电极的催化性能仍然比较低。虽然很多人通过电极的表面结构调控，显著提高了CO₂还原的催化活性和产物的选择性。尽管上述电极结构能够一定程度上提高了二氧化碳的转化率，但由于Zn纳米颗粒的比表面积较小，且电极制备过程需要额外增加粘结剂，从而降低了催化剂的利用率。

针对上述缺点，在电极基体上原位“种植”具有ZnSn复合催化剂组成的有序化层，使ERC的转化效率得到大幅度提升。该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，提高其性能。这种结构可以提高电极的选择性和金属的稳定性，从而提高ERC反应催化剂的寿命。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种二氧化碳电化学还原ZnSn电极的制备和应用，其特征在于，由基底层、纳米结构ZnSn电沉积层及其表面形成的还原层三层组成，所述基底层厚度为100～500μm，纳米结构ZnSn电沉积层的厚度为50nm～20μm，沉积层Zn:Sn:O的摩尔比为4:6:0.001～5:95:10；所述还原层的厚度约为5～400nm，还原层表面孔隙率为20％-50％；所述二氧化碳电化学还原ZnSn电极的制备步骤为：

S1：将炭毡、炭纸在200～600℃温度条件下并在空气中进行处理，然后在乙醇、丙酮中进行除油处理，除油处理完后进行清洗，清洗后作为基底层；