[發(fā)明專利]一種電催化二氧化碳還原材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110249300.3
• 申請日: 2021-03-08
• 公開（公告）號: CN113046781B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張翼;雷雨來;吳慧瓊;張玉媛;李強;陳陽
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: C25B11/091
• 分類號: C25B11/091;C25B1/23;C25B3/26
• 代理公司: 長沙朕揚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43213
• 代理人: 周孝湖

本發(fā)明公開了一種電催化二氧化碳還原材料及其制備方法和應(yīng)用，制備方法包括以下步驟：(1)將凝膠因子、鈷鹽與水混合，然后調(diào)節(jié)pH至中性或弱堿性，得到凝膠前驅(qū)體；(2)將改性C₃N₄或改性多壁碳納米管加入到步驟(1)所得凝膠前驅(qū)體中，超聲攪拌混合均勻，得到混合溶液；(3)將步驟(2)所得混合溶液進行水熱反應(yīng)，然后將水熱反應(yīng)后產(chǎn)物水洗干燥，將干燥產(chǎn)物煅燒，即得電催化二氧化碳還原材料。該電催化二氧化碳還原材料具有良好的電催化二氧化碳還原效果、產(chǎn)物利用價值高、成本低、綠色安全、制備工藝簡單便捷。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電催化二氧化碳還原技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種基于凝膠前驅(qū)體的電催化二氧化碳還原材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著溫室效應(yīng)帶來的影響逐漸增大，二氧化碳濃度不斷累積，將二氧化碳還原為有價值的附加物質(zhì)是當(dāng)前社會迫切需要的。通過催化二氧化碳還原為燃料和有用的化學(xué)品，如一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯等實現(xiàn)其循環(huán)利用價值，同時解決了燃料及環(huán)境問題。因此，電催化二氧化碳還原對此具有重大的現(xiàn)實意義。

自20世紀(jì)70年代以來，有機均相催化劑由于其獨特的活性中心在電催化二氧化碳領(lǐng)域備受關(guān)注，然而由于其自身毒性大、分離復(fù)雜等因素，漸漸被無機非均相催化劑所取代。憑借環(huán)境友好、高效率、合成簡便等優(yōu)點，無機非均相催化劑至今仍在二氧化碳還原領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是現(xiàn)有的電催化二氧化碳還原催化劑在催化效率、附加產(chǎn)物、環(huán)保及工藝操作方面仍有較大的提升空間。發(fā)展同時具有高催化效率、高附加產(chǎn)物、環(huán)境友好以及能用于工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的電催化二氧化碳還原材料是當(dāng)前領(lǐng)域的發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種電催化二氧化碳還原材料及其制備方法和應(yīng)用，該電催化二氧化碳還原材料具有良好的電催化二氧化碳還原效果、產(chǎn)物利用價值高、成本低、綠色安全、制備工藝簡單便捷。

為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種電催化二氧化碳還原材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將凝膠因子、鈷鹽與水混合，然后調(diào)節(jié)pH至中性或弱堿性，得到凝膠前驅(qū)體；

(2)將改性C₃N₄或改性多壁碳納米管加入到步驟(1)所得凝膠前驅(qū)體中，超聲攪拌混合均勻，得到混合溶液；

(3)將步驟(2)所得混合溶液進行水熱反應(yīng)，然后將水熱反應(yīng)后產(chǎn)物水洗干燥，將干燥產(chǎn)物煅燒，即得電催化二氧化碳還原材料。

單一的金屬凝膠制備后相對于電催化二氧化碳還原的活性位點不足，沒有足夠的還原能力，導(dǎo)電性一般。本發(fā)明通過引入改性C₃N₄或改性多壁碳納米管對凝膠前驅(qū)體進行改性，經(jīng)水熱反應(yīng)和高溫煅燒后得到電催化二氧化碳還原材料。改性C₃N₄或改性多壁碳納米管具有良好的導(dǎo)電性，將其加入到凝膠前驅(qū)體中可以有效提高材料的導(dǎo)電性，同時能夠為前驅(qū)體提供良好的氮源及碳源；該改性C₃N₄或改性多壁碳納米管同凝膠前驅(qū)體的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，進一步提升了材料的活性。本發(fā)明通過在凝膠前驅(qū)體中引入改性C₃N₄或改性多壁碳納米管，有效提高了電催化二氧化碳還原材料的導(dǎo)電性、二氧化碳反應(yīng)位點的活性，進而提升了該材料的電催化二氧化碳還原性能。

進一步地，多壁碳納米管為內(nèi)徑5nm-10nm、外徑20nm-30nm、長度10μm-30μm的石墨化羧基化多壁碳納米管(簡寫為CNT(20-30))，或者為內(nèi)徑5nm-10nm、外徑＞50nm、長度10μm-20μm的石墨化羧基化多壁碳納米管(簡寫為CNT(＞50))。更優(yōu)選地，石墨化羧基化多壁碳納米管采用CNT(20-30)。