[發明專利]一種電還原二氧化碳催化材料及其制備和應用

在審

• 申請號: 201811443486.0
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN111229195A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 黃延強;劉松;樊斯斯
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01J21/18
• 分類號: B01J21/18;B01J27/24;C25B1/00;C25B11/06;C25B11/12
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明公開了一種碳材料的制備方法和應用。所述碳材料通過高溫碳化合成得到，合成原料包括三聚氰胺和氨基酸。所述材料結構為氮摻雜石墨烯,應用于二氧化碳電化學還原催化劑氣體擴散電極。本發明顯著提高催化劑對CO₂電還原的活性，改善了催化穩定性，有效抑制析氫反應，增強產物CO的選擇性。

技術領域

本發明涉及一種電化學還原CO₂的催化劑及制備方法，特別涉及一種高效催化CO₂制備CO的碳材料催化劑的制備方法及其應用，屬于電化學領域。

背景技術

CO₂作為溫室氣體，它的上升已經造成了海平面上升、干旱水災、極端氣候等一系列環境問題，嚴重威脅地球的可持續發展。最近，針對如何降低全球CO₂，科學家展開了有關CO₂捕獲、儲存和轉化方面的研究。早在20世紀初，人們就已經開始了對CO₂利用技術研究，但由于二氧化碳化學性質穩定，近乎惰性，需采用高溫、高壓或催化劑才能發生化學反應，因此發展緩慢。

因此，如何活化CO₂成為研究工作的關鍵，目前采用化學催化、光催化以及電催化等的方法。其中，電化學方法既可以有效的避免高溫高壓，而且可以實現規模化，有效利用可再生能源。電化學CO₂轉化的產物復雜，包括一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯等各種物質。基于現有工業生產模式，CO₂高效電化學還原轉化為CO可以解決對高溫高壓的甲烷重整制合成氣技術的依賴。當今最受關注的CO₂電還原轉化為CO的催化劑是金、銀和相關合金。CN104846393A使用含Ag電極可以產生將近90％的CO，但是需要加入離子液體，產生較大的污染；CN104032324A以多金屬氧簇為催化劑，催化劑制備困難，而且產物復雜。這類催化劑整體面臨活性低、穩定性差、價格昂貴等問題，使其難以應用于工業生產。為了解決上述問題，有必要開發一種高活性和穩定的新型非貴金屬催化劑。據報道，石墨烯材料，尤其摻雜石墨烯材料可以有效催化電還原O₂，類似的借用這種材料對CO₂產生較好的反應。這種催化劑不僅可以有效抑制析氫反應，而且還可以選擇性還原CO₂到CO。

除催化劑外，CO₂電還原的工作電極是影響反應的另一個重要因素。氣體擴散電極(GDL)不僅可以提高CO₂電化學還原電流而且可以增加反應選擇性。GDL不僅可以將反應原料CO₂有效傳遞到催化劑表面，而且可以將生成的CO快速擴散出電極，增大反應速率，抑制析氫反應。經過優化，本發明催化劑不僅可以高效選擇性還原CO₂成CO，法拉第效率85％以上，而且具有較高催化性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種電還原CO₂催化材料的制備和應用，該發明為碳材料催化劑，通過高溫碳化合成，形成摻雜石墨烯結構，顯著的提高電化學還原CO₂活性。

本發明是一種電還原CO₂催化材料，所述CO₂催化材料為摻雜石墨烯材料。

所述材料由高溫碳化合成，其中合成前驅體為三聚氰胺和氨基酸混合物，其中三聚氰胺：氨基酸質量比例為1:1-8:1。

所述電還原CO₂催化材料的碳化溫度為800—1200℃，碳化時間為10min-10h。

本發明的電還原CO₂催化材料的制備方法，包括：將三聚氰胺和氨基酸按照一定比例放于球磨罐中進行球磨，得到均勻混合的催化材料前驅體，然后放于氧化鋯舟內并進行高溫碳化反應一定時間，得到碳材料，即為電還原CO₂催化材料。

所述氨基酸為半胱氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸或色氨酸。