[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

本发明公开了一种碳材料的制备方法和应用。所述碳材料通过高温碳化合成得到，合成原料包括三聚氰胺和氨基酸。所述材料结构为氮掺杂石墨烯,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。

技术领域

本发明涉及一种电化学还原CO₂的催化剂及制备方法，特别涉及一种高效催化CO₂制备CO的碳材料催化剂的制备方法及其应用，属于电化学领域。

背景技术

CO₂作为温室气体，它的上升已经造成了海平面上升、干旱水灾、极端气候等一系列环境问题，严重威胁地球的可持续发展。最近，针对如何降低全球CO₂，科学家展开了有关CO₂捕获、储存和转化方面的研究。早在20世纪初，人们就已经开始了对CO₂利用技术研究，但由于二氧化碳化学性质稳定，近乎惰性，需采用高温、高压或催化剂才能发生化学反应，因此发展缓慢。

因此，如何活化CO₂成为研究工作的关键，目前采用化学催化、光催化以及电催化等的方法。其中，电化学方法既可以有效的避免高温高压，而且可以实现规模化，有效利用可再生能源。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，石墨烯材料，尤其掺杂石墨烯材料可以有效催化电还原O₂，类似的借用这种材料对CO₂产生较好的反应。这种催化剂不仅可以有效抑制析氢反应，而且还可以选择性还原CO₂到CO。

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85％以上，而且具有较高催化性能。

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，该发明为碳材料催化剂，通过高温碳化合成，形成掺杂石墨烯结构，显著的提高电化学还原CO₂活性。

本发明是一种电还原CO₂催化材料，所述CO₂催化材料为掺杂石墨烯材料。

所述材料由高温碳化合成，其中合成前驱体为三聚氰胺和氨基酸混合物，其中三聚氰胺：氨基酸质量比例为1:1-8:1。

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。

本发明的电还原CO₂催化材料的制备方法，包括：将三聚氰胺和氨基酸按照一定比例放于球磨罐中进行球磨，得到均匀混合的催化材料前驱体，然后放于氧化锆舟内并进行高温碳化反应一定时间，得到碳材料，即为电还原CO₂催化材料。

所述氨基酸为半胱氨酸、甘氨酸、丙氨酸、苯丙氨酸或色氨酸。