[发明专利]一种基于有序介孔催化剂进行氯化盐与二氧化碳还原共电解的方法

说明书

本发明提供一种基于有序介孔催化剂进行氯化盐与二氧化碳共电解的方法，以过渡金属‑氮负载的有序介孔炭为阴极催化剂、有序介孔过渡金属氧化物为阳极催化剂，组装电解池；加入电解液，并向阴极侧持续通入二氧化碳，使其饱和；采用恒电流/电位方式，各电流/电位持续电解。本发明以有序介孔过渡金属氧化物为阳极催化剂，与常用的贵金属钌铱电极相比，降低了材料成本，法拉第效率可达到92％；阴阳极的有序介孔结构能够使CO₂/Cl^‑充分扩散，不但增加了法拉第效率，且与传统二氧化碳还原相比，体系能量效率提升了40％；采用单室电解池共电解，当槽电压为3.5V时，电流密度达250mA cm^‑2，在相同槽电压下，电流密度比H型电解池提高了近6倍，实现工业级电流密度。

技术领域

本发明属于能源化工技术领域，具体涉及一种利用有序介孔结构催化剂进行氯化盐与二氧化碳共电解的方法。

背景技术

近年来，大气中二氧化碳(CO₂)浓度持续上升(目前已超过410cm³/m³)，温室效应问题引起广泛关注，电催化二氧化碳还原(CO₂RR)到高值化学品被认为是一种具有潜力的“碳中和”手段，既能满足碳减排要求，又能以可持续的电能实现CO₂的资源化。通常，电催化CO₂RR阳极进行析氧反应(OER)，由于动力学限制，电解槽电压通常高于3V，OER消耗的能源占总能量输入的 90％。采用热力学上可行、动力学上有利的氧化反应取代OER，能够提高电能利用率，构建经济高效的耦合电解体系，但首要问题就是要寻找高效的电催化剂结构与同时适用于阴、阳极反应的电解质。

氯化盐电解能够发生氯碱工业的核心反应-氯氧化(COR)，生成具有重要工业价值的氧化剂--次氯酸盐(ClO^-)，广泛应用于精细化工、制药、造纸、污水处理等行业。越来越多的研究发现，高浓度盐类电解质的强溶剂化作用能够使游离水转化为溶剂化水，进一步锁定游离水分子，能够抑制CO₂RR过程中的析氢副反应，将一氧化碳(CO)法拉第效率(FE)从0.5M NaHCO₃的30％提高到80％。因此，在氯化盐溶液中进行CO₂RR并与阳极COR耦合，不仅能够提高CO₂RR性能，还能够在阴阳极同时得到高值化学品。

常用于COR的贵金属基电催化剂，如形稳阳极(DSA)，价格昂贵且在低Cl^-溶液中对水活化敏感，因此开发适合的非贵金属催化剂备受关注。然而，至今没有基于有序介孔结构的非贵金属催化剂应用于二氧化碳还原与氯化盐共电解的报道。

发明内容

针对以上问题，本发明方案提供一种基于有序介孔催化剂进行氯化盐与二氧化碳还原共电解的方法，包括如下步骤：

S1以过渡金属-氮负载的有序介孔炭为阴极催化剂、有序介孔过渡金属氧化物为阳极催化剂，组装电解池；

S2加入电解液，并向阴极侧持续通入二氧化碳，使其饱和；

S3采用恒电流/电位方式，各电流/电位持续电解。

所述过渡金属-氮负载的有序介孔炭催化剂包括过渡金属-氮活性组分和有序介孔载体。

所述过渡金属负载的有序介孔炭催化剂的载体为CMK3或CMK5，优选 CMK3；过渡金属包括铁、钴和镍中的至少一种，所述过渡金属的负载量为1％～ 6％，优选为2～4％；所述过渡金属氧化物为铁、钴或镍的氧化物。。

所述阴极和阳极中催化剂在碳纸上的负载量为0.5～1.5mg cm^-2，优选1.0 mg cm^-2。