[发明专利]电化学催化二氧化碳还原储能用铜基催化剂、电极、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种用于新能源电能驱动的电化学催化二氧化碳还原储能的铜基催化剂，其由铜纳米颗粒及修饰聚合物共聚合制备，所述修饰聚合物为具有质子传导性侧链，电子导电性主链的聚合物。该催化剂采用全新的修饰基团修饰铜基催化剂作为电化学催化电极，提高现有铜基催化剂催化效率和法拉第效率，降低输入能量的损失，实现电能的高效存储与碳中和。

技术领域

本发明涉及电能储能技术领域，具体涉及一种利用新能源电能驱动的 二氧化碳还原储能方法。

背景技术

从碳排放来源看，能源消费二氧化碳排放占我国二氧化碳排放总量的 近九成，占温室气体净排放量的近八成。因此能源领域的绿色转型对于碳 中和目标的实现至关重要。而在能源领域中，电力部门的碳排放又约到占 四成，且占比逐年增高。在电气化的大趋势下，电力系统走向零碳发展将 是实现“30·60目标”之中的一大关键。因此，2020年12月，中国又在 气候雄心峰会上进一步承诺：到2030年中国非化石能源占一次能源消费比 重将达到25％左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。 作为支撑可再生能源发展的关键技术，储能将迎来跨越式发展新阶段。

电化学催化过程被认为是将风能和太阳能等可再生资源有效整合到当 前碳中和能源组合中的一种可靠的解决方案。该方案旨在利用电催化剂与 二氧化碳结合，通过电能活化，将二氧化碳还原，转化为甲醇、乙醇和甲 烷等燃料，并将获得的这些燃料储存起来，直到在高功耗时期实施，将其 重新转化为电能，其中甲烷是合成天然气(SNG)的主要成分，与甲醇、乙 醇相比，更易运输，单位质量储能密度更高，与现有的燃料存储设备相容 性更高，因此是电能存储的重要载体燃料，获得广泛应用。

已有大量的利用电催化剂二氧化碳还原制备甲烷实现电能存储的研 究。镍基催化剂由于其低成本和易于获得而被广泛应用于二氧化碳还原制 备甲烷。然而，即使在低温下，由于镍颗粒的烧结、移动镍亚羰基的形成 或碳沉积物的形成，镍催化剂也可能失活。此外，活性金属Rh、Co、Fe等 也被报道为有效的二氧化碳还原制备甲烷的催化剂，然而这些催化剂成本 高，限制了其工业化应用。

与上述催化剂相比，铜基催化剂成本更低，是将二氧化碳还原为碳氢 化合物最有效的催化剂，对提高二氧化碳转化产物选择性上具有优势，也 是二氧化碳甲烷化，实现工业化电能存储的最有效的手段。通过使用化学 小分子修饰铜基催化剂，不仅可以提高反应速率，并且通过抑制析氢反 应，进一步促进了铜基表面的甲烷的形成。

然而，对于采用铜基催化剂，当前研究遇到的难题一是电化学还原二 氧化碳储能过程中的储能效率关键参数，即法拉第效率不足，能量输入损 失大；二是还原后的储能产物缺乏特异性，难形成高纯度的均一产物。此 外，因为采用传统的化学小分子修饰铜电极，虽然可以增加二氧化碳的转 化效率，但是在使用过程中容易出现铜催化剂从电极上解吸，并随后随电 解池内的液流被移除，从而导致有效催化剂减少，法拉第效率低。

技术方案

本发明所要解决的技术问题是提供一种新能源电能驱动的电化学催化 二氧化碳还原储能用催化剂，采用全新的修饰基团修饰铜基催化剂作为电 化学催化电极，提高现有铜基催化剂催化效率和法拉第效率，降低输入能 量的损失，实现电能的高效存储。

基于此，本发明提供一种用于新能源电能驱动的电化学催化二氧化碳 还原储能的铜基催化剂，所述铜基催化剂由铜纳米颗粒及修饰聚合物，所 述修饰聚合物为具有质子传导性侧链，电子导电性主链的聚合物。

其中，所述电子导电性主链具有一个以上的共轭基团，所述共轭基团 可以为烯基、芳香族共轭基团。

其中，所述质子传导性侧链优选为包含磺酸基的侧链、包含磷酸基的 侧链。

其中，所述聚合物进一步为聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚丁二烯磺酸、以樟 脑磺酸为掺杂剂的聚苯胺。