[发明专利]一种用于二氧化碳电还原的金属-氮-碳催化剂及其制备方法

说明书

本发明提供了一种二氧化碳电还原用金属‑氮‑碳催化剂，包括载体和活性组分。本发明将金属‑氮‑碳单位点负载到碳基纳米笼的表面，利用纳米笼的三维分级结构和高比表面积，大大提高了单位点的分散性和载量。镍‑氮‑碳单位点催化剂用于二氧化碳电还原，在‑0.6～‑1.0V的宽电压窗口时，对一氧化碳产物的法拉第效率达87～94％；通过硫掺杂，将一氧化碳的比电流密度从22.3Ag^‑1提升至37.5Ag^‑1，在相同电压窗口时对一氧化碳的法拉第效率达到90～95％。

技术领域

本发明涉及二氧化碳电还原技术领域，尤其涉及一种用于二氧化碳电还原的金属-氮-碳催化剂及其制备方法。

背景技术

能源短缺和环境污染是人类社会面临的两大挑战。目前，世界能源消耗仍然高度依赖于化石燃料，伴随着世界人口增长，能源消耗继续快速增长，大量的二氧化碳(CO₂)排放造成“温室效应”，已引起全球气温升高等严重气候问题。有效降低大气中CO₂浓度并进一步将之转化为有用化学品或燃料已成为世界范围的热点研究课题。电化学还原CO₂具有巨大应用前景，但是由于CO₂分子非常稳定(C＝O键的离解能约为806kJmol^-1)，非常难以活化。因此，急需开发高效的电催化剂促进CO₂的活化与还原，降低能垒，加速其反应动力学过程。

目前，科研工作者已经开发出大量具有优异活性的均相催化剂和非均相催化剂来加速CO₂电化学还原。均相催化剂一般是溶解在有机溶剂中的有机分子(如吡啶)或金属－有机络合分子(金属卟啉类化合物等)，它们通过特定活性中心与CO₂产生相互作用。由于它们独特的分子结构，均相催化剂一般具有很高的选择性，但是存在成本高、毒性大、稳定性差和后分离过程复杂等缺点，限制了其实际应用。采用非均相催化剂可以避免上述缺点，因此开发高效非均相CO₂还原电催化剂具有重要研究价值。金和银是常用的CO₂电还原非均相催化剂，二者均有很高的活性，通过控制其形貌和暴露晶面还可以调控产物选择性。但是，金和银的高价格限制了它们的应用。近年来，廉价、高活性的金属-氮-碳(金属为镍、铁、钴、铜)催化剂在非均相CO₂还原中展现出优良性能，对一氧化碳产物具有优异的选择性和高转化频率。通常情况下，铁、钴和镍(111)对一氧化碳的吸附能很高，容易被一氧化碳毒化，所以它们在高过电位下表现出非常差的CO₂还原活性。

发明内容

本发明的一方面在于提供一种用于CO₂电还原的金属-氮-碳催化剂，包括碳基纳米笼；所述碳基纳米笼表面负载有大量高分散的单个过渡金属原子与多个氮原子配体形成的配位中心，即过渡金属-氮-碳单位点。

本发明的另一方面在于提供一种用于CO₂电还原的金属-氮-碳催化剂的制备方法，包括如下具体制备步骤：

提供碳基纳米笼；

提供过渡金属盐溶液；

将碳基纳米笼用溶剂分散后，加入过渡金属盐溶液，反应后，干燥，得前驱体；

将前驱体于惰性气氛下800-1000℃热处理后，酸洗，干燥，即得二氧化碳电还原用金属-氮-碳催化剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

上述技术方案采用具有超大比表面、高石墨化程度、良好导电性、富含微孔-介孔-大孔的碳基纳米笼新材料，为传质和传电提供了通道。将金属-氮-碳单位点分散在碳基纳米笼的表面，利用纳米笼的高比表面积提高单位点的分散性和载量，利用碳载体的多级孔结构和良好导电性促进电荷和物料传输，有望获得高性能的电还原CO₂催化剂。

附图说明