[發明專利]一種鎳-氮共摻雜的碳電催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910104998.2
• 申請日: 2019-02-01
• 公開（公告）號: CN109772408A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 侯陽;王馨悅;楊彬;李中堅;雷樂成
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/02;C25B1/00;C25B11/06
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明提供了一種鎳?氮共摻雜的碳電催化劑，所述鎳?氮共摻雜的碳電催化劑為鎳?氮共摻雜的多孔碳納米片。本發明還提供一種鎳?氮共摻雜的碳電催化劑的制備方法：將苯甲酸鈉、醋酸鎳和醋酸錳加入到DMF中，溶解后加入對苯二甲酸得到混合溶液；對混合溶液加熱，生成以Ni²⁺和Mn²⁺為中心金屬離子、以對苯二甲酸為有機配體的金屬有機框架化合物，分離；將金屬有機框架化合物在氨氣氛圍下進行焙燒，金屬有機框架化合物中的對苯二甲酸碳化，Ni²⁺與N形成配位鍵，Mn²⁺轉變為氧化錳；通過酸洗滌將氧化錳去除，得到鎳?氮共摻雜的多孔碳納米片。本發明提供的碳電催化劑應用在CO₂電催化還原為CO，具有高選擇性和高催化活性的優點，該制備方法條件溫和且易于操作。

技術領域

本發明涉及能源化工技術領域，特別涉及一種鎳-氮共摻雜的碳電催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

電催化CO₂還原反應是將CO₂還原轉化為高附加值燃料的最有前景技術之一，這些高附加值產品包括甲烷，甲酸，CO等。在這些產品中，CO是重要的化工原料，被用于如費-托合成工藝等工業生產中，近年來受到廣泛關注。但是這一技術的發展和應用受限于催化劑的低選擇性和低活性。

在過去的幾年里，學者們致力于研究開發高選擇性將CO₂轉化為CO的電催化劑，主要包括金屬(Cu，Au，Ag等)、碳材料(CNS，CNF，石墨烯)、復合材料、MOF材料等。諸如金(Au)和銀(Ag)之類的貴金屬催化劑已經被成功開發，并具有較高的選擇性和反應活性，但是其仍然受到昂貴成本的限制。相對于金屬的高價格和低儲量，非金屬，尤其是碳材料，來源更廣，價格也低廉得多，且對環境友好，因此許多研究者正在嘗試將金屬負載于非金屬基底上來電化學催化還原CO₂。非金屬基底能幫助降低金屬使用量，提高金屬利用率，穩定、分散金屬納米粒子，通過支撐物效應改變金屬催化劑的電子云結構，從而提高催化劑的活性和選擇性。因此為了降低成本，碳基電催化劑為解決這一棘手問題開辟了新的途徑。值得提出的是，雖然碳基材料具有較有廉價易得等優點，但是其選擇性和活性較低的問題任然需要進一步解決。

隨后開始對碳基催化劑進行改性和修飾，最終探索出了過渡金屬-氮共摻雜的碳基催化劑。如公開號為CN106964383A的專利文獻公開了一種具有電催化還原二氧化碳性能的復合材料及其制備方法和應用。其中，該復合材料為三維網絡狀結構，包括三維多孔碳支架，在所述三維多孔碳支架上負載有鈷元素，形成鈷-碳活性催化中心，或者在所述三維多孔碳支架上負載有鈷元素和氧元素，形成鈷-碳-氧活性催化中心。所述鈷-碳活性催化中心由腐植酸-酚醛樹脂泡沫與水溶性鈷鹽經水熱反應再經熱處理形成，所述鈷-碳-氧活性催化中心由腐植酸-酚醛樹脂泡沫與水溶性鈷鹽經水熱反應和熱處理，再與氧氣反應形成。

然而，共摻雜催化劑的形式多種多樣，研究者通過改變合成方法和選擇不同的前驅體試圖獲得選擇性更高的催化材料，但如何能顯著提高電催化生成CO的選擇性仍是亟需解決的問題。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種鎳-氮共摻雜的碳電催化劑，應用在CO₂電催化還原為CO，具有高選擇性和高催化活性的優點。本發明還提供了一種鎳-氮共摻雜的碳電催化劑的制備方法，條件溫和且易于操作。

本發明提供如下技術方案：

一種鎳-氮共摻雜的碳電催化劑，所述鎳-氮共摻雜的碳電催化劑為鎳-氮配位共摻雜的多孔碳納米片。

所述鎳-氮共摻雜的多孔碳納米片的BET比表面積為300-1000m²g^-1。