[发明专利]一种用于电催化还原CO2

说明书

本发明公开了一种用于电催化还原CO₂中的Ni‑S‑C复合催化剂及其制备方法，所述Ni‑S‑C复合催化剂为核壳结构，包括核体和包覆在核体外的壳层，其中核体为Ni₃S₂，壳层为C；所述制备方法为采用水热法合成Ni‑tri前驱体，然后Ni‑tri前驱体经高温热解处理得到Ni‑S‑C复合催化剂；本发明采用简单的水热法合成具有多孔结构的Ni‑tri前驱体，进一步通过高温热解处理制备Ni‑S‑C复合催化剂材料；本发明的Ni‑S‑C复合催化剂表现出了良好的电催化活性和较高的转化效率，CO法拉第效率最高达66.6％；而且催化剂可以循环利用，第5次电解后仅降低了9％，稳定性较好，实现了催化剂的高效重复利用。

技术领域

本发明涉及催化剂电极制备技术领域，尤其涉及一种用于电催化还原CO₂中的Ni-S-C复合催化剂及其制备方法。

背景技术

化石燃料的大量消耗导致了CO₂的过度排放，带来了温室效应等一系列问题。电化学还原CO₂(CO₂RR)利用可再生能源电力将CO₂电还原为增值产品，是一种温和、清洁的解决环境和能源问题的方法。尽管贵金属基电催化剂，如Ag、Au和Pd电极，在电化学CO₂还原方面表现出了高度的选择性，但高成本和有限的储量阻碍了它们的商业化。因此，迫切需要开发基于地球丰富元素的高效稳健催化剂，以实现成本低、效益高的CO₂转化过程。

近年来，低成本、高选择性和高能量效率的优点使过渡金属杂原子共掺杂碳材料成为一种很有前途的CO₂RR电催化剂。它们部分闭合的d轨道接近费米能级，可以从化学角度优化电子结构，这提高了反应动力学，进而促进了中间产物的形成(Xin-yue Wang,Qi-dong Zhao,Bin Yang,et al.Emerging nanostructured carbon-based nonpreciousmetal electrocatalysts for selective electrochemical CO₂reduction to CO[J].Journal of Materials Chemistry A,2019,7,25191-25202)。另外，有研究表明，在M-N-C电催化剂(M表示金属)的金属中，转化CO₂为CO的一般选择性顺序为NiFe＞＞Co，而活性顺序为Ni,Fe＞＞Co(Xin-Ming Hu,HalvorHval,Emil Tveden Bjerglund,etal.Selective CO₂ reduction to CO in water using earth-abundant metal andnitrogen-doped carbon electrocatalysts[J].ACS Catalysis,2018,8,6255-6264)。因此，过渡金属Ni成为了一般研究过渡金属杂原子共掺杂碳材料的首要选择，人们投入了大量的研究工作来开发高性能的镍基材料，作为贵金属的替代品。其中，镍硫化物(如NiS、NiS₂和Ni₃S₂)因其成本低、制备方便而备受关注，特别是Ni₃S₂具有固有的金属行为和高导电性，是电催化剂的重要性能(Geng Zhang,Yu-Shuo Feng,Wang-Ting Lu,et al.Enhancedcatalysis of electrochemical overall water splitting in alkaline media by Fedoping in Ni₃S₂ nanosheet arrays[J].ACS Catalysis,2018,8,5431-5441)。但其相关的研究仅限于全解水方面，而于CO₂RR方面则未有所涉及。

综上可知，现有的CO₂RR电催化剂无法在制备成本、选择性和能量利用效率上兼顾。

发明内容