[发明专利]一种电还原二氧化碳催化材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电还原催化材料及其制备和应用。所述电还原催化材料主要是炭载单原子催化材料，所述材料通过高温碳化合成得到，合成原料包括三聚氰胺、氨基酸、醋酸盐。所述材料结构为金属原子镶嵌在氮掺杂石墨烯基底,应用于二氧化碳电化学还原催化剂气体扩散电极。本发明显著提高金属原子的利用效率，增大了催化剂对CO₂电还原的活性，改善了催化稳定性，有效抑制析氢反应，增强产物CO的选择性，拓宽了二氧化碳还原生成CO的电势窗口。

技术领域

本发明属于电化学领域，特别涉及一种高效催化CO₂电还原的金属原子镶嵌碳催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

CO₂不但是破坏生态环境的温室气体，而且是储量最丰富的碳资源，对其转化利用对未来社会的环境和能源结构将产生深刻影响。然而由于CO₂在能量上处于稳定状态，近乎于惰性，对其进行转化面临巨大的挑战。电化学还原CO₂不仅可以对其高效转化，而且可以降低成本，实现规模化生产。

电化学CO₂转化的产物复杂，包括一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯等各种物质。基于现有工业生产模式，CO₂高效电化学还原转化为CO可以解决对高温高压的甲烷重整制合成气技术的依赖。当今最受关注的CO₂电还原转化为CO的催化剂是金、银和相关合金。CN104846393A使用含Ag电极可以产生将近90％的CO，但是需要加入离子液体，产生较大的污染；CN104032324A以多金属氧簇为催化剂，催化剂制备困难，而且产物复杂。这类催化剂整体面临活性低、稳定性差、价格昂贵等问题，使其难以应用于工业生产。为了解决上述问题，有必要开发一种高活性和稳定的新型非贵金属催化剂。据报道，金属酞菁类化合物，尤其是酞菁镍和酞菁钴可以有效催化电还原CO₂产CO，但在还原电位下这种小分子化合物结构很不稳定，无法产生稳定，可应用的电流。设计合成含有酞菁相似结构的金属原子掺杂的石墨烯催化剂，可为上述问题提供有效的解决方案。这种催化剂不仅可以有效抑制析氢反应，选择性还原CO₂，而且还具有高稳定性和高电流密度。

除催化剂外，CO₂电还原的工作电极是影响反应的另一个重要因素。气体扩散电极(GDL)不仅可以提高CO₂电化学还原电流而且可以增加反应选择性。GDL不仅可以将反应原料CO₂有效传递到催化剂表面，而且可以将生成的CO快速扩散出电极，增大反应速率，抑制析氢反应。

经过优化，本发明催化剂不仅可以高效选择性还原CO₂成CO，法拉第效率95％以上，而且具有较高催化性能，如在，偏压为-1.0V(vs.RHE)时，单位质量催化剂产生的还原电流为1000mA/mg_(催化剂)，单位面积电流达到100mA/cm²。此外，这种催化剂运行100 小时，活性以及对生成物CO的选择性几乎不发生任何变化，总体性能优于现有的催化剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电还原CO₂催化材料的制备和应用，该发明为单原子催化剂，通过高温碳化合成，形成金属原子镶嵌在石墨烯上的结构，显著的提高了金属原子的利用率，增大了催化剂对CO₂的电化学催化活性。

本发明是一种电还原CO₂催化材料，所述CO₂催化材料为金属/碳材料。

所述金属/碳材料由高温碳化合成，其中合成前驱体为三聚氰胺、氨基酸、金属盐、导电碳材料混合物，其中三聚氰胺：氨基酸质量比例为1:1—10:1，氨基酸：金属盐质量比例为100:1—2:1；金属盐：导电碳材料的质量比例为：10：0—1：10。

所述电还原CO₂催化材料的碳化温度为800—1200℃，碳化时间为10min—10h。