[发明专利]一种非贵金属修饰含氮生物质衍生碳的制备方法及其应用

说明书

本发明为一种非贵金属修饰含氮生物质衍生碳的制备方法及其应用。该方法包括以下步骤：利用含氮生物质废弃物作为前驱体，经过碳化、活化、酸洗、干燥等一系列简单步骤，制备了高比表面多孔碳材料。然后将这种碳材料作为载体，非贵金属作为活性材料制备了非贵金属修饰的含氮生物质衍生碳复合催化材料。将这种材料应用在电催化CO₂还原为CO中，表现出优异的电催化还原性能。相较于以Au，Ag，Pd及其衍生物为主的贵金属催化剂而言，缩减了成本。另外使用含氮生物质废弃物作为制备碳材料的前驱体，不仅拓宽了含氮生物质废弃物的利用方向，而且缓解了大量含氮生物质废弃物给环境带来的压力。

技术领域

本发明属于CO₂电催化还原技术领域，尤其涉及一种非贵金属修饰含氮生物质衍生碳的制备方法及其电催化还原CO₂的应用。

背景技术

工业化给人们的生产和生活带来便利的同时也引发了一系列的环境问题，尤其是大量CO₂气体的排放造成全球气候变暖，从而导致了冰川融化、海平面上升和极端天气频发等全球环境问题。因此采取各种有效的方法减少大气中的CO₂含量是十分必要的。而电催化转化技术不仅反应条件温和，而且利用可再生的电力作为驱动力将CO₂催化转化为燃料和高附加值的化学品，这既可以减少大气中CO₂的含量，同时也能缓解能源危机。在电催化CO₂还原的各种产物中，CO具有选择性高、易于与产物分离等优点，还可作为费托合成的原料直接用于工业生产。虽然在CO₂电催化还原为CO方面取得了一系列的成果，但是由于CO₂分子十分稳定，开发性能优良、成本低廉和稳定性好的催化剂仍是目前面临的重大挑战。

近年来，人们发展了许多电催化CO₂还原的催化剂，比如以Ag、Au、Pt及其衍生物为主的贵金属催化剂，以碳材料为主的非金属催化剂和以分子催化剂为主的均相催化剂。但是贵金属及其衍生物作为电催化剂具有成本高、稳定性差等缺点，碳材料虽然资源丰富、成本低廉，但是在电催化CO₂还原中活性较低，不利于工业化应用。而均相催化剂不仅成本高，而且毒性较大后续的产物分离也比较困难，因此需要寻找高活性、高稳定性和成本低廉的电催化剂。然而单一的非贵金属催化剂容易团聚不利于活性位点的暴露，在实际应用中活性比较差。由于碳材料具有独特的表面性能、优异的稳定性及成本低廉等特点，但是碳材料本身在CO₂电催化还原方面活性较差，然而经过杂原子掺杂和金属修饰后，可以改变碳材料的结构、组成和表面官能团，能较大程度的改进碳材料的电催化还原性能。然而目前大部分碳材料的制备过程繁琐、原料成本高，限制了其在工业上的应用与发展。

生物质作为丰富的自然资源，具有环保、可再生、成本低廉和分布广泛等优点，尤其是含氮生物质(如烟草茎、豆渣、茶叶、咖啡渣、猪骨头和人的头发等)经过炭化和活化后，除具有良好的导电性、稳定性和高的比表面积，还具有独特的CO₂吸附性能。因此我们选择含氮生物质衍生的碳材料作为载体，经过非贵金属(Fe，Co，Ni)修饰后制备了非贵金属修饰的含氮生物质衍生碳复合催化材料，并将其作为一种高效的电催化剂应用在电催化CO₂还原中。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供了一种非贵金属修饰含氮生物质衍生碳的制备方法及其应用。该方法使用含氮生物质衍生的碳作为载体，非贵金属作为活性材料、在500～700℃的低温条件下制备了非贵金属修饰的含氮生物质衍生碳复合催化材料；将该材料用于电催化CO₂还原中，具有高的活性、高的选择性及良好的稳定性等优秀性能。本发明所制备的碳载体具有高的比表面、孔径分布集中和良好的CO₂吸附性能。

本发明的技术方案为：

一种非贵金属修饰含氮生物质衍生碳的制备方法，该方法包括以下步骤：