[發(fā)明專利]一種氮摻雜分級孔碳基催化劑及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011127124.8
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN114433158B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李先鋒;姚鵬飛;邱艷玲;鄭瓊;張華民
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/00;B01J35/10;B01J37/00;B01J37/08;C25B1/23;C25B11/091
• 代理公司: 北京元周律知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11540
• 代理人: 李翠

本申請公開了一種氮摻雜分級孔碳基催化劑及其制備方法與應(yīng)用。所述氮摻雜分級孔碳基催化劑具有微孔和介孔結(jié)構(gòu)；所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中石墨氮的含量高于鋅?氮的含量；其中，所述石墨氮和所述鋅?氮的含量均以氮元素計。所述氮摻雜分級孔碳基催化劑具有分級孔結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及組分可調(diào)節(jié)的特點，而且各類型N元素的含量合理，具有優(yōu)異的CO₂電化學(xué)還原制備CO的法拉第效率，適用于催化二氧化碳的電化學(xué)還原反應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及一種氮摻雜分級孔碳基催化劑及其制備方法與應(yīng)用，屬于二氧化碳電化學(xué)還原技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

當(dāng)前，我國經(jīng)濟與社會正處于高速發(fā)展階段，對能源的需求日益增加，隨之帶來嚴(yán)重的二氧化碳排放問題。據(jù)國際能源機構(gòu)(IEA)的最新報告估計，2017年全球CO₂排放量達(dá)410億噸，比2016年增加了2％。因此，如何減少CO₂的排放，有效利用CO₂成為了近年來研究的熱點。

CO₂的轉(zhuǎn)化與利用主要包括以下四類:生物化學(xué)轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、電化學(xué)轉(zhuǎn)化及光化學(xué)轉(zhuǎn)化。與其他CO₂轉(zhuǎn)化技術(shù)相比，電化學(xué)還原CO₂(ERC)技術(shù)的突出優(yōu)勢在于可利用水作為反應(yīng)的氫源，在常溫常壓下即可實現(xiàn)CO₂的高效轉(zhuǎn)化，以化學(xué)能的形式儲存電能，可平衡風(fēng)能和太陽能等產(chǎn)生的間歇性電力資源。

電化學(xué)還原CO₂技術(shù)是利用可再生能源產(chǎn)生的電能將CO₂還原為化學(xué)品，實現(xiàn)CO₂資源化利用的一種有效技術(shù)。通過電化學(xué)技術(shù)使CO₂直接與H₂O反應(yīng)生成高附加值的化合物，如乙醇、甲烷及烴類化合物等，實現(xiàn)電能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換。不但使ERC技術(shù)更具經(jīng)濟性，還可以實現(xiàn)可再生能源的儲存，并形成一個碳和能量轉(zhuǎn)化循環(huán)。目前，制約ERC技術(shù)發(fā)展的主要因素包括：(1)反應(yīng)過電位較高；(2)反應(yīng)的活性較低；(3)產(chǎn)物選擇性差。因此，尋找合適催化劑降低反應(yīng)過電位、提高產(chǎn)物選擇性和反應(yīng)的活性當(dāng)今研究的關(guān)鍵。目前對于催化劑的研究主要集中于金銀等貴金屬催化劑，雖然對于CO的選擇性高，但價格昂貴，不適合大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。然而對于非金屬氮摻雜碳基催化劑的研究相對較少，其中氮摻雜多孔碳因其高比表面積，可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)，高導(dǎo)電性及價格便宜等優(yōu)勢受到廣泛的關(guān)注。ZIF8是一種富含微孔結(jié)構(gòu)的多孔氮摻雜碳前驅(qū)體，直接對其進行碳化處理得到的催化劑，普遍存在一下問題：微孔結(jié)構(gòu)不利于二氧化碳的傳輸；高的鋅-氮含量容易誘發(fā)析氫副反應(yīng)；低的導(dǎo)電性。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本申請的一個方面，提供一種氮摻雜分級孔碳基催化劑，所述氮摻雜分級孔碳基催化劑具有分級孔結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電性及組分可調(diào)節(jié)的特點，而且各類型N元素的含量合理，具有優(yōu)異的CO₂電化學(xué)還原制備CO的法拉第效率，適用于催化二氧化碳的電化學(xué)還原反應(yīng)。

一種氮摻雜分級孔碳基催化劑，所述氮摻雜分級孔碳基催化劑具有微孔和介孔結(jié)構(gòu)；

所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中石墨氮的含量高于鋅-氮的含量；

其中，所述石墨氮和所述鋅-氮的含量均以氮元素計。

可選地，所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中石墨氮的含量比鋅-氮含量高1.4％～2％。

可選地，所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中氮元素的總含量為4％～7％。

可選地，所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中石墨氮的含量比吡啶氮含量高0.2％～1％

可選地，所述所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中石墨氮的含量比吡啶氮含量高0.6％～1％

可選地，所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中石墨氮的含量比吡咯氮含量高0.3％～0.9％。

可選地，所述氮摻雜分級孔碳基催化劑中石墨氮的含量比吡咯氮含量高0.3％～0.51％。