[發明專利]PCN-222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201811094152.7
• 申請日: 2018-09-19
• 公開（公告）號: CN109254066A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 董寶霞;錢社亮
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: G01N27/30
• 分類號: G01N27/30;G01N27/26
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了PCN?222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極、制備方法以及在電催化還原CO₂方面的應用。將PCN?222(Fe)與導電炭黑混合，滴加Nafion丙酮溶液，超聲攪拌至勻漿狀，將勻漿狀混合物涂覆在碳紙電極表面，風干，得到PCN?222(Fe)/C修飾的碳紙電極。PCN?222(Fe)/C修飾的碳紙電極利用PCN?222(Fe)暴露在一維開放孔道內壁的大量卟啉活性位點的特點，可提高對電催化還原CO₂至CO產物的選擇性；導電炭黑的摻雜可以提高催化活性。PCN?222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極于三電極H?型電解池體系中進行測試，具備良好的電化學穩定性，各電位下均具有穩定的電解電流。

技術領域

本發明涉及催化劑電極制取技術，尤其涉及PCN-222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極及其制備方法與應用。

背景技術

不可再生的化石燃料大量燃燒排放過量的CO₂，造成了全球氣候變暖問題。CO₂是理想的有機合成原料，將CO₂轉化為有用的物質對于環境保護越來越重要。

電催化還原CO₂是以可再生電能或富余核電等潔凈電能為能源，在溫和的反應條件下將CO₂一步轉化為CO、甲酸、碳氫化合物和醇類等高附加值燃料及化學品。金屬有機骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)因其具有比表面積大、孔隙率高、尺寸可調控等優勢，而被廣泛用作催化劑材料。鑒于異相電催化不受限于電解質在溶液中的溶解度，O.M.Yaghi等(Lin S,Diercks C S,Zhang Y B,et al.Covalent organic frameworkscomprising cobalt porphyrins for catalytic CO₂reduction in water[J].Science,2015,349(6253):1208–1213.)展開了包含可調控活性卟啉分子單元的共價有機骨架(Covalent-Organic Frameworks,COFs)和MOFs材料對CO₂電還原的催化研究，展示了MOFs/COFs作為異相電催化劑用于還原CO₂制備CO的高選擇性和高催化活性。

目前MOFs作催化劑使用的一個挑戰是其骨架的長程穩定性，現有的MOFs作催化劑是將其溶解于電解液中，催化劑的使用通常受到在電解過程中催化劑的降解所限制，其在催化過程中降解，解離出來的離散配合物就可能釋放到溶液中，使得還原機理的闡述變得困難。

發明內容

發明目的：針對以上問題，本發明提出PCN-222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極及其制備方法與應用，PCN-222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極具有較高的穩定性，且能夠提高電催化還原CO₂制備CO產物的選擇性。

技術方案：為實現本發明的目的，本發明所采用的技術方案是：PCN-222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極，它包括碳紙電極和涂覆在碳紙電極上的PCN-222(Fe)/導電炭黑涂層，所述PCN-222(Fe)/導電炭黑涂層是將PCN-222(Fe)和導電炭黑混合，加入Nafion丙酮溶液，混合分散成勻漿狀的混合物，將勻漿狀的混合物涂覆在碳紙電極的表面，風干得到的。混合物如若分散不均勻，會有顆粒物，這會導致涂覆層厚度不均勻而且還很容易從電極上剝落。

PCN-222(Fe)催化劑修飾的碳紙電極的制備方法，包括以下步驟：

(1)將氯化鋯、苯甲酸、鐵-四(4-羧基苯基)卟啉與N,N-二甲基甲酰胺超聲混合，得到混合溶液，將混合溶液進行水熱反應，丙酮離心洗滌，真空干燥，得到PCN-222(Fe)；

(2)將PCN-222(Fe)與導電炭黑混合后，加入Nafion丙酮溶液，混合分散成勻漿狀的混合物，將勻漿狀混合物涂覆在碳紙電極的表面，風干，得到PCN-222(Fe)/導電炭黑修飾的碳紙電極。