[發明專利]一種非貴金屬修飾含氮生物質衍生碳的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202011277264.3
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112501637A
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 王荷芳;李曼華;劉光慧;楊利加
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: C25B1/23
• 分類號: C25B1/23;C25B11/054;C25B11/052;C25B11/091
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發明為一種非貴金屬修飾含氮生物質衍生碳的制備方法及其應用。該方法包括以下步驟：利用含氮生物質廢棄物作為前驅體，經過碳化、活化、酸洗、干燥等一系列簡單步驟，制備了高比表面多孔碳材料。然后將這種碳材料作為載體，非貴金屬作為活性材料制備了非貴金屬修飾的含氮生物質衍生碳復合催化材料。將這種材料應用在電催化CO₂還原為CO中，表現出優異的電催化還原性能。相較于以Au，Ag，Pd及其衍生物為主的貴金屬催化劑而言，縮減了成本。另外使用含氮生物質廢棄物作為制備碳材料的前驅體，不僅拓寬了含氮生物質廢棄物的利用方向，而且緩解了大量含氮生物質廢棄物給環境帶來的壓力。

技術領域

本發明屬于CO₂電催化還原技術領域，尤其涉及一種非貴金屬修飾含氮生物質衍生碳的制備方法及其電催化還原CO₂的應用。

背景技術

工業化給人們的生產和生活帶來便利的同時也引發了一系列的環境問題，尤其是大量CO₂氣體的排放造成全球氣候變暖，從而導致了冰川融化、海平面上升和極端天氣頻發等全球環境問題。因此采取各種有效的方法減少大氣中的CO₂含量是十分必要的。而電催化轉化技術不僅反應條件溫和，而且利用可再生的電力作為驅動力將CO₂催化轉化為燃料和高附加值的化學品，這既可以減少大氣中CO₂的含量，同時也能緩解能源危機。在電催化CO₂還原的各種產物中，CO具有選擇性高、易于與產物分離等優點，還可作為費托合成的原料直接用于工業生產。雖然在CO₂電催化還原為CO方面取得了一系列的成果，但是由于CO₂分子十分穩定，開發性能優良、成本低廉和穩定性好的催化劑仍是目前面臨的重大挑戰。

近年來，人們發展了許多電催化CO₂還原的催化劑，比如以Ag、Au、Pt及其衍生物為主的貴金屬催化劑，以碳材料為主的非金屬催化劑和以分子催化劑為主的均相催化劑。但是貴金屬及其衍生物作為電催化劑具有成本高、穩定性差等缺點，碳材料雖然資源豐富、成本低廉，但是在電催化CO₂還原中活性較低，不利于工業化應用。而均相催化劑不僅成本高，而且毒性較大后續的產物分離也比較困難，因此需要尋找高活性、高穩定性和成本低廉的電催化劑。然而單一的非貴金屬催化劑容易團聚不利于活性位點的暴露，在實際應用中活性比較差。由于碳材料具有獨特的表面性能、優異的穩定性及成本低廉等特點，但是碳材料本身在CO₂電催化還原方面活性較差，然而經過雜原子摻雜和金屬修飾后，可以改變碳材料的結構、組成和表面官能團，能較大程度的改進碳材料的電催化還原性能。然而目前大部分碳材料的制備過程繁瑣、原料成本高，限制了其在工業上的應用與發展。

生物質作為豐富的自然資源，具有環保、可再生、成本低廉和分布廣泛等優點，尤其是含氮生物質(如煙草莖、豆渣、茶葉、咖啡渣、豬骨頭和人的頭發等)經過炭化和活化后，除具有良好的導電性、穩定性和高的比表面積，還具有獨特的CO₂吸附性能。因此我們選擇含氮生物質衍生的碳材料作為載體，經過非貴金屬(Fe，Co，Ni)修飾后制備了非貴金屬修飾的含氮生物質衍生碳復合催化材料，并將其作為一種高效的電催化劑應用在電催化CO₂還原中。

發明內容

本發明的目的為針對當前技術中存在的不足，提供了一種非貴金屬修飾含氮生物質衍生碳的制備方法及其應用。該方法使用含氮生物質衍生的碳作為載體，非貴金屬作為活性材料、在500～700℃的低溫條件下制備了非貴金屬修飾的含氮生物質衍生碳復合催化材料；將該材料用于電催化CO₂還原中，具有高的活性、高的選擇性及良好的穩定性等優秀性能。本發明所制備的碳載體具有高的比表面、孔徑分布集中和良好的CO₂吸附性能。

本發明的技術方案為：

一種非貴金屬修飾含氮生物質衍生碳的制備方法，該方法包括以下步驟：