[发明专利]一种二氧化碳电化学还原用金属催化剂及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原用金属催化剂及其制备和应用，该方法制备的金属催化剂表面为双金属纳米片状或颗粒状多晶结构，为催化剂提供催化性能，其元素组成为Zn、Bi两种元素，纳米片的直径为10～800nm，厚度为3～100nm，纳米颗粒的粒径为5nm～1.5μm；催化剂内部为金属Zn，为催化剂提供强度支撑和导电性。本发明提供了一种简单经济的方法，所制备的金属催化剂成本低，具有表面结构尺寸可调和比表面积高的特点，多晶结构具有更高的催化活性，用于二氧化碳电化学还原，对目标产物具有优良的选择性和催化活性。

技术领域

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原领域，特别涉及二氧化碳电化学还原用催化剂技术。

背景技术

化石能源的逐渐枯竭和全球气候变暖，是人类面临的两个难题，与人类未来的可持续发展息息相关。当今化石燃料的消耗，使大气中的CO₂含量不断升高。CO₂作为一种温室气体，可导致全球气候变暖，引起“温室效应”。但是，CO₂也是一种潜在的碳资源，如果能够加以回收，转化成有用的化学原料，既能降低大气中CO₂的含量，变害为利，减缓“温室效应”，又能补充化石燃料的替代品。在众多的CO₂转化方法中，电化学还原CO₂能够利用可再生能源发电和水，将CO₂转化为有价值的化合物，如甲酸，CO，CH₄和C₂H₂等。电化学还原CO₂能够可在常温常压下实现CO₂的高效转化，设备简单，环境友好，具有良好的发展前景和应用价值，吸引了众多国内外研究者的高度关注。

CO₂是一种化学结构非常稳定的分子，将CO₂还原成中间产物需要很高的过电位；且CO₂还原成产物的过程涉及到多步骤电子转移，导致产物的选择性差。因此选择合适的催化剂来降低CO₂还原的过电位，提高产物的选择性至关重要。催化剂的种类不同，得到的CO₂还原的产物也不同。目前，高产甲酸的催化剂多为重金属，如Pb、Hg等，对环境有污染，且难以同时满足高选择性和高电流密度；高产CO的催化剂主要为贵金属，如Au、Ag等，价格昂贵，难以满足市场化应用；高产CH₄和C₂H₂等催化剂主要为金属Cu，单一产物选择性差。

甲酸是一种重要的化工原料，可以用来合成其他化学产品，也可用作金属表面处理剂、橡胶助剂和工业溶剂，广泛用于农药、皮革、染料、医药和橡胶等工业。因此，开发廉价高效的催化剂，将CO₂电化学还原为甲酸具有重要的意义。

Zn是一种地壳中含量丰富，环境友好且廉价的金属，是一种有潜力将CO₂电化学还原为CO的催化剂，但是过电位较高。Bi是一种比Zn稍微昂贵一些的金属，但是价格相对贵金属来说要廉价得多，且安全无毒，能将CO₂电化学还原为甲酸和CO，但是选择性有待提高。通过改变材料的组成和微观结构，可以提高其催化性能。因此，以Zn和Bi金属为基础材料，开发简单高效的制备方法来合成低成本、高性能的ERC催化剂，提高CO₂电化学还原为甲酸的选择性，降低其过电位，具有重要的研究价值，是未来ERC转变为实际应用的重要一步。

发明内容

本发明提供了一种二氧化碳电化学还原用金属催化剂的制备方法，这种制备方法简单高效，条件可控，易于操作。该催化剂表面为纳米片状或颗粒状多晶结构，由Zn、Bi两种元素，为催化剂提供催化性能；催化剂内部为金属Zn，为催化剂提供强度支撑和导电性。该催化剂用于二氧化碳电化学还原，对目标产物甲酸具有优良的选择性和催化活性。该催化剂成本低廉，可以满足大规模商业应用的需求。