[發(fā)明專利]一種由二氧化碳實現C1燃料電化學還原催化劑及其制備和應用

有效

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• 申請日: 2018-10-10
• 公開（公告）號: CN109161922B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發(fā)明（設計）人: 喬錦麗;張琦;劉佳聞;彭蘆葦;劉俊宇;周玥
• 申請（專利權）人: 東華大學;上海市晉元高級中學
• 主分類號: C25B11/06
• 分類號: C25B11/06;C25B3/04;C25B1/00;H01M4/66;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/48
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所 31233
• 代理人: 黃志達

本發(fā)明涉及一種由二氧化碳實現C1燃料電化學還原催化劑及其制備和應用，催化劑以碳納米管為載體，負載SnO_x納米片。制備：將氯化亞錫和檸檬酸鈉溶于水中，攪拌溶解，得到前驅體溶液；將碳納米管分散于溶劑，超聲，得到碳納米管溶液，混合后進行水熱反應，即得。本發(fā)明制得的電化學還原催化劑具有鮮明的(101)和(002)晶面，對CO₂電化學還原為C1產物兼具高催化活性和選擇性，高效抑制氫氣副產物產生，而且在電解過程中表現出長期的穩(wěn)定性。此外，本發(fā)明的催化劑制備方法操作簡單、綠色、C1產物選擇性高，應用前景廣闊。

技術領域

本發(fā)明屬于二氧化碳電化學還原催化劑及其制備和應用領域，特別涉及一種由二氧化碳實現C1燃料電化學還原催化劑及其制備和應用。

背景技術

隨著人類對化石燃料的過度利用，能源危機和由此帶來的二氧化碳過量排放所引起的全球變暖問題也日益加重，由此對碳進行捕獲和有效利用(CCU)引起了全球的廣泛關注。二氧化碳電化學還原技術(CO2RR)制備工業(yè)原料和低碳燃料是緩解這個問題的重大策略，同時由于CO2RR可以由清潔能源驅動，因此該技術可以將人類對化石燃料的依賴轉移到碳平衡能量循環(huán)中[Catalysis Today,270,19-30(2016)]。在二氧化碳電化學還原過程中，由于較低的電子傳遞數量和相對快速的動力學特征，C1產物(HCOOH/HCOO^-和CO)的產生更為可行。另一方面，甲酸是非常有潛力的液體儲氫化合物之一，可以廣泛應用于氫載體和燃料電池；而CO是化學工業(yè)中的重要原料，例如可以用于Fischer-Tropsch合成。然而，由于CO₂的高度對稱分子結構，CO₂還原不僅需要克服與析氫反應(HER)之間的競爭，同時復雜的多電子轉移動力學以及反應過程中的高能量勢壘，通常產生多產物的混合物。因此，開發(fā)具有高催化活性、選擇性和穩(wěn)定性的高效催化劑是解決CO₂有效利用的關鍵所在。

二氧化碳電化學還原的產物選擇性很大程度上取決于金屬電極的性質。貴金屬如Au、Ag和Pd對CO或甲酸鹽具有普遍偏高的催化活性和選擇性，但這些貴金屬的低豐度和高成本限制了其規(guī)模應用。非貴金屬材料如過渡金屬及其化合物(例如Cu、Sn、Bi、Pb、In、CO₃O₄、SnO₂、MoS₂、SnS₂)可有效地將CO₂還原成CO或HCOOH。在這些催化劑中，Sn基材料由于其高豐度、低成本、低毒性和對甲酸高選擇性而得到了廣泛的應用。然而，多晶Sn的低活性限制了其實際應用。研究表明，金屬Sn電極表面的氧化錫(SnO_x)層可以有效抑制氫的析出，并穩(wěn)定*CO₂^·-，從而提高CO₂的還原效率[Journal of Materials Chemistry A,2,1647-1651(2014)]。最近的研究表明Sn基催化劑與碳負載材料結合可以提供較大的比表面積來增加活性位點的數目，并通過錨定效應抑制活性位點的聚集，從而促進電子轉移，其中，納米碳材料因其機械強度高，熱穩(wěn)定性、導電性和熱導率良好而備受關注。目前，碳材料負載錫基二氧化碳電催化還原催化劑在全球得到廣泛研究，然而，該類型催化劑依然存在對目標產物選擇性差[Angewandte Chemie International Edition,57(11),2943-2947(2018)]，電流密度較小[Material Letters,141,63-66(2015)]，能量效率低[Nature Communication,7,12697(2016)]等缺點。因此該類型催化劑對CO₂電化學還原產物的選擇性和能量效率還遠不能滿足工業(yè)化要求。

發(fā)明內容