[發明專利]電化學催化二氧化碳還原儲能用銅基催化劑、電極、其制備方法及應用

有效

• 申請號: 202111323665.2
• 申請日: 2021-11-09
• 公開（公告）號: CN113957480B
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 夏霖
• 申請（專利權）人: 深圳先進技術研究院
• 主分類號: C25B11/095
• 分類號: C25B11/095;C25B3/26;C25B3/07;C25B3/03;C25D3/38;C25D5/00
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 孟潔

本發明提供了一種用于新能源電能驅動的電化學催化二氧化碳還原儲能的銅基催化劑，其由銅納米顆粒及修飾聚合物共聚合制備，所述修飾聚合物為具有質子傳導性側鏈，電子導電性主鏈的聚合物。該催化劑采用全新的修飾基團修飾銅基催化劑作為電化學催化電極，提高現有銅基催化劑催化效率和法拉第效率，降低輸入能量的損失，實現電能的高效存儲與碳中和。

技術領域

本發明涉及電能儲能技術領域，具體涉及一種利用新能源電能驅動的 二氧化碳還原儲能方法。

背景技術

從碳排放來源看，能源消費二氧化碳排放占我國二氧化碳排放總量的 近九成，占溫室氣體凈排放量的近八成。因此能源領域的綠色轉型對于碳 中和目標的實現至關重要。而在能源領域中，電力部門的碳排放又約到占 四成，且占比逐年增高。在電氣化的大趨勢下，電力系統走向零碳發展將 是實現“30·60目標”之中的一大關鍵。因此，2020年12月，中國又在 氣候雄心峰會上進一步承諾：到2030年中國非化石能源占一次能源消費比 重將達到25％左右，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。 作為支撐可再生能源發展的關鍵技術，儲能將迎來跨越式發展新階段。

電化學催化過程被認為是將風能和太陽能等可再生資源有效整合到當 前碳中和能源組合中的一種可靠的解決方案。該方案旨在利用電催化劑與 二氧化碳結合，通過電能活化，將二氧化碳還原，轉化為甲醇、乙醇和甲 烷等燃料，并將獲得的這些燃料儲存起來，直到在高功耗時期實施，將其 重新轉化為電能，其中甲烷是合成天然氣(SNG)的主要成分，與甲醇、乙 醇相比，更易運輸，單位質量儲能密度更高，與現有的燃料存儲設備相容 性更高，因此是電能存儲的重要載體燃料，獲得廣泛應用。

已有大量的利用電催化劑二氧化碳還原制備甲烷實現電能存儲的研 究。鎳基催化劑由于其低成本和易于獲得而被廣泛應用于二氧化碳還原制 備甲烷。然而，即使在低溫下，由于鎳顆粒的燒結、移動鎳亞羰基的形成 或碳沉積物的形成，鎳催化劑也可能失活。此外，活性金屬Rh、Co、Fe等 也被報道為有效的二氧化碳還原制備甲烷的催化劑，然而這些催化劑成本 高，限制了其工業化應用。

與上述催化劑相比，銅基催化劑成本更低，是將二氧化碳還原為碳氫 化合物最有效的催化劑，對提高二氧化碳轉化產物選擇性上具有優勢，也 是二氧化碳甲烷化，實現工業化電能存儲的最有效的手段。通過使用化學 小分子修飾銅基催化劑，不僅可以提高反應速率，并且通過抑制析氫反 應，進一步促進了銅基表面的甲烷的形成。

然而，對于采用銅基催化劑，當前研究遇到的難題一是電化學還原二 氧化碳儲能過程中的儲能效率關鍵參數，即法拉第效率不足，能量輸入損 失大；二是還原后的儲能產物缺乏特異性，難形成高純度的均一產物。此 外，因為采用傳統的化學小分子修飾銅電極，雖然可以增加二氧化碳的轉 化效率，但是在使用過程中容易出現銅催化劑從電極上解吸，并隨后隨電 解池內的液流被移除，從而導致有效催化劑減少，法拉第效率低。

技術方案

本發明所要解決的技術問題是提供一種新能源電能驅動的電化學催化 二氧化碳還原儲能用催化劑，采用全新的修飾基團修飾銅基催化劑作為電 化學催化電極，提高現有銅基催化劑催化效率和法拉第效率，降低輸入能 量的損失，實現電能的高效存儲。

基于此，本發明提供一種用于新能源電能驅動的電化學催化二氧化碳 還原儲能的銅基催化劑，所述銅基催化劑由銅納米顆粒及修飾聚合物，所 述修飾聚合物為具有質子傳導性側鏈，電子導電性主鏈的聚合物。

其中，所述電子導電性主鏈具有一個以上的共軛基團，所述共軛基團 可以為烯基、芳香族共軛基團。

其中，所述質子傳導性側鏈優選為包含磺酸基的側鏈、包含磷酸基的 側鏈。

其中，所述聚合物進一步為聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚丁二烯磺酸、以樟 腦磺酸為摻雜劑的聚苯胺。