[发明专利]一种基于硼氮共掺杂纳米金刚石的电化学还原CO2催化剂、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于CO₂资源化利用领域，涉及一种基于硼氮共掺杂纳米金刚石的电化学还原CO₂催化剂。

背景技术

电化学还原是CO₂资源化利用技术的一个重要方向，该技术能够将CO₂转化为CO、甲酸、甲醛、甲醇、CH₄、乙酸、乙烯等物质，在减缓CO₂所带来的温室效应的同时产生具有经济价值的化学品，具有环境和经济双重效益，近年来受到广泛关注。目前电化学还原CO₂能量利用率低、产物选择性差、催化剂易失活是限制其应用的主要因素，而解决这一问题的关键是开发具有专一选择性和高效催化活性的电极材料。

目前研究最广泛的电还原CO₂材料是贵金属及其复合物，这是由于贵金属具有空轨道和活跃的d电子，能够有效的促进活性位点与CO₂之间吸附形成加合物并且能够促进产物的脱附以保持催化活性。但是金属及其复合物电化学还原CO₂具有以下的缺点：较低的电流效率(电解水析氢的影响)、较差的产物选择性、高的过电势以及材料易失活，同时贵金属价格昂贵且材料稀缺也是影响其应用的重要原因。研究表明，一些碳基非金属材料对电化学还原CO₂也具有良好的催化活性，如硼掺杂金刚石、氮掺杂金刚石、氮掺杂石墨碳以及钴络合物改性金刚石等，它们能够将CO₂还原为CO、甲酸、甲醛以及乙酸等产物。但目前CO₂还原产物主要为C₁化合物，将CO₂转化为能量密度较高的C₂产物的催化材料仍十分稀少。因此，开发一种高效C₂产物选择性、催化性能稳定、地球上含量丰富的非金属电化学还原材料是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种高C₂产物选择性、高催化活性且物理化学性能稳定的非金属纳米催化材料用于CO₂资源化利用领域。 CO₂电化学还原是CO₂资源化利用的一个重要方面，而缺乏性能优良的催化材料是限制其应用的主要因素。硼氮共掺杂纳米金刚石具有强电催化能力、专一选择性和高化学稳定性，其组成元素在地球上含量丰富，能弥补现有电还原催化材料的不足，是一种理想的电催化还原材料。

一种基于硼氮共掺杂纳米金刚石的电化学还原CO₂催化剂，该电化学还原 CO₂催化剂以玻碳、金属或硅片为基底，其为含氮不大于10at％、硼不大于5at％的晶粒尺寸为10～500nm的纳米金刚石薄膜。

该电化学还原CO₂催化剂采用N₂、B₂H₆、CH₄和H₂混合气体通过热丝化学气相沉积法在温度为1900～2200℃、压力为200～2000Pa的条件下沉积10～20h 制备，其中N₂和CH₄体积分数分别为不高于25％和0.5～20％，B₂H₆以H₂稀释，浓度为1000～5000ppm，体积分数为不高于40％。

一种基于硼氮共掺杂纳米金刚石的电化学还原CO₂催化剂的应用，采用H- 型双池反应器，H-型双池反应器中间以质子交换膜隔离为阴极室和阳极室，反应器密封；阴极室和阳极室均通有饱和CO₂气体，反应过程中持续曝气，气体流量控制在10～50sccm；采用三电极体系，以电化学还原CO₂催化剂为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，工作电极与Pt电极的间距为 1.5cm，参比电极靠近工作电极，反应溶液为0.1mol/L的NaHCO₃水溶液，工作电极的面积与反应溶液的体积比为1:5，施加的工作电压为-1.0～-2.0V；工作电极所在的阴极室进行磁力搅拌，反应室温下进行；收集气相产物通过气相色谱分析，液相产物通过离子色谱及气相色谱分析。

在上述反应体系中以硼氮共掺杂纳米金刚石为电化学还原催化剂还原CO₂，可应用于CO₂资源化利用领域。

本发明的有益效果：