[發(fā)明專利]將金屬氣凝膠催化材料用于制備陰離子膜電解池電催化還原CO2反應(yīng)的用途

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• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113564630A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 呂曉萌;王文搏;龔善和;陸潤清;劉軍
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號: C25B11/081
• 分類號: C25B11/081;C25B11/073;C25B11/091;C25B11/097;C25B11/052;C25B11/032;C25B1/23;C25B3/07
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本發(fā)明屬于化學(xué)催化技術(shù)領(lǐng)域，公開了將金屬氣凝膠催化材料用于制備陰離子膜電解池電催化還原CO₂反應(yīng)的用途。步驟包括：將新鮮配制的還原劑水溶液，快速加入金屬前驅(qū)體溶液中，并持續(xù)攪拌一分鐘，室溫下靜置反應(yīng)得到水凝膠，隨后冷凍干燥得到金屬氣凝膠；然后利用金屬氣凝膠制備陰極氣體擴散電極，裝配陰離子膜電解池，利用該陰離子膜電解池電催化二氧化碳還原反應(yīng)，電解池使用陰離子膜將陰陽兩極室隔開，陰極流場板為蛇形流場，陽極流場板為網(wǎng)狀流場。利用金屬氣凝膠的陰極氣體擴散電極，在陰離子膜電解池表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)～80％的C1產(chǎn)物(HCOOH或CO)法拉第效率，電流密度100mA cm^?2，具備工業(yè)化前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)催化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬氣凝膠催化材料的制備方法，并將金屬氣凝膠催化材料用于制備陰離子膜電解池電催化還原CO2反應(yīng)的用途。

背景技術(shù)

隨著二氧化碳(CO₂)排放帶來的環(huán)境問題日益加劇，以及碳中和概念的提出，針對CO₂的治理已經(jīng)提上了日程。從資源、能源發(fā)展戰(zhàn)略的角度，以可再生電能或富余核電等潔凈電能為能源，在溫和的反應(yīng)條件下，將CO₂一步轉(zhuǎn)化為碳氫化合物和醇類等高附加值燃料及化學(xué)品，同時實現(xiàn)CO₂的高效轉(zhuǎn)化和潔凈電能的有效存儲，將為可再生能源合理利用和CO₂轉(zhuǎn)化耦合提供極大的發(fā)展空間，為解決能源和環(huán)境資源的可持續(xù)發(fā)展做出極大的貢獻。現(xiàn)有的商用電化學(xué)技術(shù)為CO₂電催化轉(zhuǎn)化(eCO₂RR)提供了藍圖。

目前電催化CO₂RR技術(shù)的工業(yè)化，除了政策外的影響因素，電解池的優(yōu)化設(shè)計對于提高eCO₂RR性能及其工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。電解池構(gòu)型及其操作條件在很大程度上決定了電極附近的局部反應(yīng)環(huán)境，從而調(diào)變催化性能。催化劑層作為電解池重要構(gòu)件在電催化CO₂RR過程中發(fā)揮著重要的作用。催化劑的組成直接關(guān)乎電催化CO₂還原的產(chǎn)物選擇性，其中CO引起了較大的關(guān)注，因為它是許多熱化學(xué)、生物和電化學(xué)過程中常見的氣體前體。CO和H₂(合成氣)的混合物可以作為目前實現(xiàn)費托合成或發(fā)酵過程的原料。當今最好的系統(tǒng)已經(jīng)證明，CO的全電池能效約為40％至50％，接近具有成本競爭力的目標。與此同時CO作為氣體產(chǎn)物，易于從電解質(zhì)中析出，高法拉第效率的CO將有利于后期產(chǎn)物的分離和提純，節(jié)約資金消耗，并且串聯(lián)反應(yīng)的搭建有望實現(xiàn)將直接放出的CO轉(zhuǎn)化成商品化的產(chǎn)品。在CO之后，甲酸(HCOOH)是目前為止第二種動力學(xué)有利的CO₂還原產(chǎn)物，并且HCOOH具有最高的經(jīng)濟價值，平均每摩爾電子的價值約為0.016$/mol e^-，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、皮革、醫(yī)藥等工業(yè)。

借鑒燃料電池的陰離子交換膜的設(shè)計，構(gòu)建的陰離子膜電解池可以大大降低陰極與陽極之間的電解液的歐姆損耗，提高器件工作效率，有工業(yè)化應(yīng)用的潛能。但電解池運行過程中，催化劑通常會發(fā)生中毒、失活、水淹等現(xiàn)象。構(gòu)建結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的催化劑對于電解池的高效、穩(wěn)定運行非常關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于陰離子膜電解池中電催化還原CO₂的金屬氣凝膠催化材料的制備方法，其技術(shù)路線簡單、具有普適性并且擁有優(yōu)異的電化學(xué)還原CO₂的催化活性和選擇性，也能推廣作為其他電催化反應(yīng)的催化劑。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：

將金屬氣凝膠催化材料用于制備陰離子膜電解池電催化還原CO₂反應(yīng)的用途，包括如下步驟：

(1)金屬氣凝膠催化材料的制備：