[發(fā)明專利]一種鈷/石墨烯催化劑

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710046436.8
• 申請日: 2017-01-19
• 公開（公告）號: CN108325528B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝青麗;蔡莉;夏錫鋒;雷武
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: B01J23/75
• 分類號: B01J23/75;B01J21/18;C25B3/26;C25B3/07;C25B11/091
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發(fā)明公開了一種鈷/石墨烯復(fù)合催化劑，制備方法及其應(yīng)用。該催化劑通過水熱法制備晶型為面心立方的鈷與石墨烯的復(fù)合催化劑，通過X?射線衍射和透射電子顯微鏡技術(shù)分析，鈷單質(zhì)呈面心立方晶相，并較均勻地分散在石墨烯片層上。液體核磁測試數(shù)據(jù)表明在0.1M的NaHCO₃的電解液中，電解電位?1.8V下的還原產(chǎn)物是乙醇。在長達(dá)15小時的控制電位電解實驗中，呈現(xiàn)出較高的還原能力及較高的穩(wěn)定性，電流密度基本維持在16.2mA·cm^?2。相比于密排六方的鈷單質(zhì)，其還原能力有過之而無不及，且還原產(chǎn)物是具有更高商業(yè)價值的乙醇。對于電化學(xué)還原二氧化碳來說，該材料在還原制備碳?xì)淙剂戏矫嬗兄e足輕重的價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于新能源領(lǐng)域。具體涉及到一種鈷/石墨烯催化劑。

背景技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對能源的消耗日益增加，由此帶來各種環(huán)境問題，如：全球變暖、溫室效應(yīng)和水土流失等，這些問題主要歸因于CO₂的大量排放而又得不到很好的轉(zhuǎn)化利用。自然界中存在豐富的CO₂，與此相反不可再生能源又在不斷減少，面臨這種情況，人們逐漸將研究方向轉(zhuǎn)向如何提高可再生能源的利用率及轉(zhuǎn)化現(xiàn)有能源的儲存方式上。在這種驅(qū)動下，還原CO₂制備清潔可利用能源成為了目前最有發(fā)展前景的研究方向之一。該方案不僅可以減少CO₂帶來的環(huán)境問題；又可以緩解能源危機(jī)，將CO₂變廢為寶，轉(zhuǎn)化成清潔能源進(jìn)一步利用；更重要的是，CO₂在還原過程中不會產(chǎn)生新的有害產(chǎn)物。但難點在于CO₂是碳的最高氧化態(tài)，性質(zhì)穩(wěn)定，不易被活化成其他形式的中間產(chǎn)物，利用率較低。對于此難題，應(yīng)運而生的還原CO₂的方法有：化學(xué)法、電化學(xué)法和光催化法。其中電化學(xué)還原CO₂的實質(zhì)是利用電子的得失來實現(xiàn)CO₂的還原，所需要的實驗裝置簡單，操作便捷，容易進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)建；溫度對反應(yīng)的影響不大，同時也可以方便的改變測試條件(如：電極電位﹑電解液、掃描速度等)控制還原產(chǎn)物的種類，及調(diào)整反應(yīng)物的使用率與還原產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率；該方法能夠克服反應(yīng)中間體CO₂^-離子所需的高電位，有利于活化CO₂。所以電化學(xué)法就成為了還原CO₂最簡潔有效的手段之一。研究發(fā)現(xiàn)，謝等[S.Gao,Y.Lin,X.Jiao,Y.Sun,Q.Luo,W.Zhang,D.Li,J.Yang,Y.Xie.Partially oxidized atomic cobalt layers for carbon dioxideelectroreduction to liquid fuel[J].Nature,2016,529(7584):68-71]以鈷和部分氧化的鈷(鈷與氧化鈷共存)為電極材料，在低至0.24V的過電位下CO₂的主要還原產(chǎn)物為甲酸；Kim等[D.Kim,J.Resasco,Y.Yu,A.M.Asiri,P.Yang.Synergistic geometric andelectronic effects for electrochemical reduction of carbon dioxide usinggold-copper bimetallic nanoparticles[J].Nature communications,2014,5:4948]以金-銅合金為電極材料，研究了雙金屬之間的協(xié)同及電子效應(yīng)對CO₂還原的作用，主產(chǎn)物有CO、甲烷、甲酸和乙醇等；Asadi等[M.Asadi,B.Kumar,A.Behranginia,B.A.Rosen,A.Baskin,N.Repnin,D.Pisasale,P.Phillips,W.Zhu,R.Haasch,R.F.Klie,P.Kral,J.Abiade,A.Salehi-Khojin.Robust carbon dioxide reduction on molybdenumdisulphide edges[J].Nature communications,2014,5:4470]以鉬為電極材料電化學(xué)還原制備的甲醇等等。采用電化學(xué)法還原CO₂的產(chǎn)物大部分是碳?xì)浠衔铮松鲜鏊e例之外主要還有甲酸和甲酸鹽等，甲醇，一氧化碳，醋酸和醋酸鹽，碳?xì)浠衔镆约捌渌腃3或C4產(chǎn)物等。乙醇作為一種常用的化學(xué)試劑，對于化工化學(xué)領(lǐng)域的作用不言而喻。廣泛應(yīng)用于化工，醫(yī)學(xué)，食品等領(lǐng)域，其科研價值和商業(yè)價值都要高于C1形式的產(chǎn)物。在CO₂還原體系中，能夠以乙醇作為主要還原產(chǎn)物的金屬并不多，常用的有銅或者銅的合金等。所以開發(fā)一種新的能夠?qū)O₂轉(zhuǎn)化成C2產(chǎn)物的催化劑成為了當(dāng)下很有意義的事情。