[發(fā)明專利]一種納米鋅催化劑及基于納米鋅催化劑高效催化CO2還原CO的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510365020.3
• 申請日: 2015-06-29
• 公開（公告）號: CN104959135B
• 公開（公告）日: 2017-12-05
• 發(fā)明（設計）人: 賈法龍;全鳳嬌
• 申請（專利權(quán)）人: 華中師范大學
• 主分類號: B01J23/06
• 分類號: B01J23/06;C25C1/16;C25B1/00;B82Y30/00
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司42102
• 代理人: 喬宇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米鋅催化劑及基于納米鋅催化劑高效電催化還原CO₂至CO的方法。

背景技術(shù)

電催化還原CO₂利用可再生能源產(chǎn)生電能，將能量轉(zhuǎn)化到CO、甲酸、醇類、碳氫化合物等高能態(tài)密度的化合物中存儲起來，以便將能量再次利用，對于應對環(huán)境問題、緩解能源危機具有十分重要的意義。然而，由于二氧化碳分子的吉布斯自由能大小為-369kJ/mol，處于能量最低狀態(tài)，十分穩(wěn)定，不易轉(zhuǎn)化，因此如何高效地將CO₂轉(zhuǎn)化為具有應用價值的化工原料并投入到大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)中是一項任務艱巨的挑戰(zhàn)，解決這一難題的一個重要途徑就是開發(fā)性能高效的催化劑。

一氧化碳是二氧化碳還原產(chǎn)物的一種，它是水煤氣的主要成分之一，還可以用于制甲酸鈉，在冶金工業(yè)中作還原劑。截至目前為止，用于CO₂催化還原為CO的催化劑多集中于金和銀金屬材料，而極少有關(guān)于金屬鋅作為催化材料的報道。Shoichiro lkeda等人[S.Ikeda,T. Takagi,K.Ito,Bull.Chem.Soc.Jpn.1987,60,2517–2522]嘗試了鋅片的催化效果，其在含有四乙胺高氯酸鹽的水溶液中還原CO₂生成CO的電流效率最高為36％，同時還存在其它CO₂還原副產(chǎn)物。如果將鋅催化劑用于CO₂向CO的催化還原，首先面臨的問題是如何有效提高CO₂轉(zhuǎn)化的電流效率。

我國擁有豐富的鋅資源，若能將含鋅化合物作為催化劑應用到電催化還原CO₂之中，這將具有十分廣闊的應用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的旨在提供一種納米鋅催化劑及基于納米鋅催化劑高效電催化還原CO₂至CO 的方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

提供一種納米鋅催化劑，其生長在鋅片基底上，為納米片陣列結(jié)構(gòu)，納米片的表面生長有納米顆粒。

按上述方案，所述納米片的厚度在10納米至50納米之間，所述納米片表面生長的納米顆粒大小為30-50納米。

提供一種上述納米鋅催化劑的制備方法：其步驟如下：

步驟1：以鋅片為工作電極，鉑片為對電極，在飽和的Zn(OH)₄^2-溶液中恒電流下氧化沉積氧化鋅，隨后將鋅片取出并用大量蒸餾水沖洗，然后在室溫下干燥。

步驟2：再將前面處理的鋅片放入電解液中，鋅片為工作電極，鉑片為對電極，飽和甘汞為參比電極，恒電位電解還原，在鋅片表面沉積鋅，構(gòu)筑納米鋅催化劑。

按上述方案，所述Zn(OH)₄^2-的飽和溶液的配制方法：將硝酸鋅固體加入到濃度為 3.0mol/L-5.0mol/L的KOH溶液中，并不斷攪拌，直至加入硝酸鋅后溶液中出現(xiàn)沉淀，然后將沉淀物通過離心分離后，得到飽和的Zn(OH)₄^2-溶液。

按上述方案，步驟1中的恒電流密度為0.2～0.4mA/cm²，恒電流氧化時間為1～3小時。

按上述方案，步驟2的電解液為0.3～0.5mol/L的NaCl溶液。

按上述方案，步驟2中的恒電位為-1.5～-1.7V(vs.飽和甘汞電極(SCE))，電解還原時間為20～40min。

一種基于納米鋅催化劑高效電催化還原CO₂至CO的方法，其特征在于：在質(zhì)子交換膜分隔為陽極槽和陰極槽的電解池中，以上述納米鋅催化劑電極為工作電極(陰極)，鉑片為輔助電極(陽極)，飽和甘汞電極為參比電極，在陽極槽和陰極槽中分別裝入電解質(zhì)溶液，向陰極槽中通入CO₂至飽和，然后在連續(xù)通入CO₂的條件下恒電位還原CO₂，所述恒電位還原過程中的電位控制范圍為-1.4～-1.8V。

按上述方案，所述陽極槽的電解質(zhì)溶液為NaHCO₃溶液。

按上述方案，所述陰極槽的電解質(zhì)溶液為NaHCO₃或NaCl溶液，優(yōu)選為NaCl溶液。