[發(fā)明專利]一種疏水高分子膜負(fù)載蒸鍍金屬氣體擴(kuò)散電極、制備方法及其應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2020-12-17
• 公開（公告）號: CN112647090A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊化桂;曹琳;劉鵬飛;程軍;吳雪楓;毛芳欣;袁海洋;楊曉華
• 申請（專利權(quán)）人: 華東理工大學(xué)
• 主分類號: C25B11/032
• 分類號: C25B11/032;C25B11/075;C23C14/20;C23C14/24;C25B3/26;C25B3/03;C25B3/07
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責(zé)任公司 31203
• 代理人: 顧蘭芳

本發(fā)明涉及一種具有高效電催化二氧化碳還原生成多碳產(chǎn)物的疏水高分子膜負(fù)載蒸鍍金屬氣體擴(kuò)散電極的制備方法及應(yīng)用，所述氣體擴(kuò)散電極包括疏水高分子膜以及負(fù)載于所述疏水高分子膜表面的金屬材料。所述疏水高分子膜包括但不限于聚四氟乙烯，孔徑為0.1?1μm；所述疏水高分子膜中含有的起支撐作用的材料包括但不限于聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯。所述金屬材料包括但不限于銅、銀、金、鋅。本發(fā)明還公開了上述電極的制備方法和電催化用途。上述電極材料可應(yīng)用于電化學(xué)還原二氧化碳，并對多碳產(chǎn)物具有較高的選擇性，在推動電催化材料進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)器件化上有重要的作用，在環(huán)境科學(xué)和新能源領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有高效電催化二氧化碳還原生成多碳產(chǎn)物的疏水高分子膜負(fù)載蒸鍍金屬氣體擴(kuò)散電極、制備方法及應(yīng)用。其作為電催化材料，具有較高的電催化二氧化碳生成多碳產(chǎn)物(乙烯、乙醇及乙酸等)性能。未來將其用于電催化二氧化碳還原的陰極電極，有望推動電催化材料進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)器件化、工業(yè)化，在環(huán)境科學(xué)和新能源領(lǐng)域有非常重要的前景。

背景技術(shù)

化石燃料不僅作為便攜式、可調(diào)度的能源載體，還是化學(xué)原料、肥料的來源。隨著社會發(fā)展，人類對于化石燃料的依賴與日俱增，而這便導(dǎo)致全球能源的不斷消耗和環(huán)境與氣候問題加劇。電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)(CO₂ reduction reaction,CO₂RR)可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的燃料和原料，為上述問題的解決提供了極具吸引力的方案，從而有助于存儲間歇性可再生電力，并關(guān)閉人工碳循環(huán)。

研究發(fā)現(xiàn)，銀、金、鋅可用于催化CO₂電還原成CO。與單碳產(chǎn)物相比，乙烯(C₂H₄)、乙醇(C₂H₅OH)等多碳產(chǎn)物具有更高的能量密度和市場價(jià)值。二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯是一個(gè)12電子的還原過程，在已開發(fā)的電催化劑材料中，銅基催化劑在高電流密度下具有較高的選擇性。然而，盡管目前在催化劑和反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面取得了一些進(jìn)展，但是CO₂RR的能效仍無法滿足商業(yè)需求。改善乙烯等多碳產(chǎn)物CO₂RR選擇性和產(chǎn)率的研究對于這一技術(shù)的市場化至關(guān)重要。銅催化劑表面的化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)在決定反應(yīng)路徑，增大表面積，促進(jìn)定向轉(zhuǎn)化反應(yīng)等策略中起著至關(guān)重要的作用。為了提高產(chǎn)物的選擇性并降低反應(yīng)能壘，已探索了調(diào)控銅氧化態(tài)，暴露高折射率小面，引入應(yīng)變效應(yīng)和表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)等方案。但是，表面化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)的綜合控制和特征化仍然具有挑戰(zhàn)性。此外，負(fù)載在普通碳支撐氣體擴(kuò)散電極上的催化劑通過膠黏劑與氣體擴(kuò)散電極粘合，在大電流催化過程中會發(fā)生氣體擴(kuò)散層破壞、催化劑脫落等情況，而這歸因于催化劑與氣體擴(kuò)散層結(jié)合不牢固、分布不均造成其工作狀態(tài)下局部電壓分布不均，以及氣體擴(kuò)散層電化學(xué)性能不穩(wěn)定、機(jī)械性能較差。

為了解決上述問題，本發(fā)明利用簡單的蒸鍍工藝，綜合調(diào)控金屬的表面形貌，將金屬材料蒸鍍在疏水高分子膜上，使金屬與氣體擴(kuò)散層的結(jié)合力增強(qiáng)，同時(shí)高分子膜的穩(wěn)定性可使所形成的電極在大電流下保持對CO₂RR多碳產(chǎn)物的高選擇性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有高效電催化二氧化碳還原生成多碳產(chǎn)物的疏水高分子膜負(fù)載蒸鍍金屬氣體擴(kuò)散電極、制備方法及應(yīng)用，制備方法簡單，可重復(fù)性高。所制備的氣體擴(kuò)散電極具有較高的催化二氧化碳還原反應(yīng)活性及多碳產(chǎn)物選擇性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種疏水高分子膜負(fù)載蒸鍍金屬氣體擴(kuò)散電極的制備方法，其特征在于，包含以下步驟：

疏水高分子膜的表面用氮?dú)饣驓鍤獯祾吒蓛簦辉谑杷叻肿幽ど险翦円粚雍穸葹?-1000nm的金屬。

進(jìn)一步的，所述在疏水高分子膜上蒸鍍一層厚度為100-900nm的金屬優(yōu)選厚度為300-800nm的金屬；更優(yōu)選厚度為500-700nm的金屬。

進(jìn)一步的，所述在疏水高分子膜上蒸鍍一層厚度最優(yōu)選為600nm的金屬。