[發(fā)明專(zhuān)利]一種高金屬負(fù)載效率的鎳氮共摻雜炭基催化劑的制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110992529.6
• 申請(qǐng)日: 2021-08-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113684499B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郝廣平;胡旭;李文翠;陸安慧
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C25B11/065
• 分類(lèi)號(hào): C25B11/065;C25B11/075;C25B1/23
• 代理公司: 大連格智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 21238
• 代理人: 劉琦

本發(fā)明公開(kāi)了一種高金屬負(fù)載效率的鎳氮共摻雜炭基催化劑的制備方法及其應(yīng)用，涉及催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域。該催化劑以一種超親水炭材料作為載體，低金屬負(fù)載量下可以實(shí)現(xiàn)近100％的負(fù)載效率。在25℃水汽吸附測(cè)試中，親水炭的水汽吸附量為302cm³g^?1(P/P₀＝0.4)，證明其較強(qiáng)的表面極性。利用炭材料表面豐富的極性位點(diǎn)對(duì)鎳離子的強(qiáng)錨定作用，顯著提高了鎳的分散性和負(fù)載效率。所述制備方法包括如下步驟：(1)熱解銅和聯(lián)吡啶的配合物得到超親水炭材料；(2)通過(guò)浸漬負(fù)載鎳活性組分，經(jīng)過(guò)熱解、酸洗、二次熱解得到鎳氮共摻雜炭基催化劑。此外，該催化劑存在一定數(shù)目極性位點(diǎn)增強(qiáng)質(zhì)子傳導(dǎo)，將其應(yīng)用于電催化CO₂還原制備CO，具有較高的活性、選擇性和穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化劑制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高金屬負(fù)載效率的鎳氮共摻雜炭基催化劑的制備方法及其應(yīng)用，適用于電催化CO₂還原制備CO，以及其它包含質(zhì)子-電子耦合轉(zhuǎn)移步驟的電催化反應(yīng)中。

背景技術(shù)

由于化石能源的大量開(kāi)發(fā)和使用，2021年大氣中的二氧化碳(CO₂)含量達(dá)到了前所未有的濃度(419ppm)，不斷升高的溫室氣體含量會(huì)給自然環(huán)境帶來(lái)難以逆轉(zhuǎn)的破壞。為了響應(yīng)國(guó)際社會(huì)一致提出的“碳中和”戰(zhàn)略，大力發(fā)展CO₂轉(zhuǎn)化技術(shù)勢(shì)在必行。在當(dāng)前較為流行的轉(zhuǎn)化策略中，利用可再生清潔能源如風(fēng)能、太陽(yáng)能等間歇性能源驅(qū)動(dòng)電催化CO₂還原制備含碳化學(xué)品，具有條件溫和、環(huán)保及易規(guī)?；葍?yōu)勢(shì)。通過(guò)電化學(xué)還原反應(yīng)可以將CO₂還原為一氧化碳(CO)、甲酸(HCOOH)、乙醇等(CH₃CH₂OH)等產(chǎn)物。在工業(yè)上，CO可以作為一種原料氣，用于生產(chǎn)包括合成氣和脂肪醛等多種化學(xué)品，因此電催化CO₂制備CO具備廣闊的經(jīng)濟(jì)前景。

近年來(lái)，炭基催化劑由于具有比表面積高、導(dǎo)電性好和孔結(jié)構(gòu)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。尤其是過(guò)渡金屬如鎳、鐵或鈷等與氮共摻雜的炭基催化劑展現(xiàn)出優(yōu)異的電催化CO₂還原制備CO性能。如公開(kāi)號(hào)為CN111686780A專(zhuān)利公開(kāi)了一種用于二氧化碳電還原的金屬-氮-碳催化劑及其制備方法，具體地，將鎳-氮-碳單位點(diǎn)負(fù)載到碳基納米籠的表面作為活性相，用于高效電催化CO₂還原制備CO。在該專(zhuān)利中，鎳前驅(qū)體的用量相對(duì)炭載體為37.5wt.％，而催化劑中鎳的負(fù)載量?jī)H為2wt.％，金屬負(fù)載效率僅為5.3％。

對(duì)目前已經(jīng)發(fā)表的文獻(xiàn)或者專(zhuān)利結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：由于炭材料表面往往比較惰性，在制備負(fù)載型金屬和氮共摻雜的炭基催化劑過(guò)程中，往往需要較高的金屬前驅(qū)鹽用量才能保證最終制備的金屬-氮-碳催化劑中含有足夠的活性位點(diǎn)，大量的金屬在經(jīng)過(guò)熱解、酸浸等處理步驟中被損失，損失率可達(dá)90％，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞。因此高效率地制備金屬和氮共摻雜炭基催化劑用于電催化CO₂還原仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外，對(duì)于金屬-氮-碳催化劑來(lái)說(shuō)，經(jīng)由電解液/電極界面?zhèn)鲗?dǎo)的質(zhì)子在反應(yīng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)移速率較為緩慢。因此，開(kāi)發(fā)一種增強(qiáng)質(zhì)子傳導(dǎo)的炭基催化劑也是需要深入研究的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決當(dāng)前負(fù)載型金屬-氮-碳催化劑在制備方面存在的技術(shù)挑戰(zhàn)以及進(jìn)一步提高電催化性能，本發(fā)明旨在提供一種高金屬負(fù)載效率的鎳氮共摻雜炭基催化劑的制備方法及其應(yīng)用?？砂l(fā)展成一種通用的制備方法，利用超親水炭材料表面的極性位點(diǎn)與金屬離子之間強(qiáng)的親和力，促進(jìn)金屬分散性、顯著提高制備過(guò)程中金屬的負(fù)載效率。同時(shí)，所述催化劑表面存在局部極性位點(diǎn)可增強(qiáng)反應(yīng)過(guò)程中的質(zhì)子傳導(dǎo)和氣體供給，實(shí)現(xiàn)高效電催化CO₂還原。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種高金屬負(fù)載效率的鎳氮共摻雜炭基催化劑的制備方法，包括如下步驟：配制鎳的配合物溶液，以超親水炭材料為載體，通過(guò)等體積浸漬的方法，將活性鎳組分負(fù)載在炭材料上；經(jīng)過(guò)惰性氣氛中熱解、酸洗、二次熱解，得到所述的鎳氮共摻雜炭基催化劑；