[发明专利]一种应用于二氧化碳电还原的气体扩散电极

说明书

本发明公开了一种应用于二氧化碳电还原的气体扩散电极，涉及到二氧化碳电化学还原领域，包括催化剂C‑Cu₂O@Cu‑Cu_V@Cu_D与萘酚。本发明利用纯化学还原方法直接制备出C‑Cu₂O@Cu‑Cu_V核壳电极催化材料，并在萘酚粘结剂和模板剂的参与下，利用刮涂法或者喷涂法直接制备出C‑Cu₂O@Cu‑Cu_V电极，其中Cu₂O@Cu‑Cu_V“核壳”催化剂；并利用将铜盐与稳定剂混合，以恒电压条件在C‑Cu₂O@Cu‑Cu_V催化层表面电沉积Cu_D，制备得到Cu₂O@Cu‑Cu_V@Cu_D有序的“核壳”催化剂。利用内部稳定的Cu₂O@Cu‑Cu_V结构与外部缺陷Cu(Cu_D)的结合，使得催化剂表面具有更多的活性面积和缺陷位，降低了中间体CO*在催化剂表面的吸附能垒，使得催化剂表面更利于C‑C的成键，提高了C₂+产物的选择性及活性。

技术领域

本发明涉及二氧化碳电化学还原领域，特别涉及一种应用于二氧化碳电还原的气体扩散电极。

背景技术

近些年来，由于化石燃料的广泛使用，全球CO₂排放量逐渐增加，导致全球气候变暖、极端天气频发。将CO₂转化为能源物质或其他化学品，是目前亟待解决的问题，是实现我国“双碳”目标的主要策略之一。其中，电化学还原CO₂是将CO₂转化为可利用能源物质或高附加值化学品的有效途径之一。

然而，二氧化碳分子在常温条件下较为稳定，需要施加较大的电势才能使其发生反应；此外电催化CO₂还原反应(CO₂ER)涉及多电子反应历程，对单一目标产物的控制较难实现。在二氧化碳饱和水溶液中发生电还原反应时，难免会发生析氢反应(副反应、竞争反应)，从而导致目标产物的法拉第效率降低，尤其是在制备碳氢化合物产物时，电位比较负，从而导致析氢副反应更严重。目前，催化还原CO₂过程中所使用的催化剂多为金属，反应过程中易被溶液腐蚀并且消耗，因此反应过程中，催化材料的稳定性成为需要考虑的问题。常规电催化剂都存在以下几个显著的缺点：1、电催化CO₂还原(CO₂ER)反应电势较高，能耗大；2、目标产物较难控制，副产物较多、选择性差；3、金属催化材料稳定性差，反应过程中易失活。因此优质的催化剂一般具有以下几个特征：具有多个活性催化位点、高选择性、高稳定性、高效的电子转移速率等。对电化学CO₂还原具有低过电位或高选择性的金属催化剂，如Au、Ag、Pb、Hg等，往往成本较高或毒性大，或两者兼有；而Cu是唯一可以高效将CO₂电化学还原为碳氢化合物的金属。在单金属Cu基催化剂表面，CO₂可以被还原为CO、CH₄、C₂H₆、C₂H₄及含氧碳氢化合物(乙醇、甲酸)等不同的产物，这主要与Cu金属催化剂的形貌、结构、晶型及表面活性位种类有关。并且有研究表明，少量金属氧化物有利于C₂+产物生成，且通过氧化物还原生成的金属具有更高的低配位数活性位。如中科院化学所的韩布兴院士等人通过原位还原电沉积铜络合物的方法制备出了三维树枝状Cu-Cu₂O复合材料，该催化剂具有高C₂+选择性。但是目前Cu催化剂的利用仍存在产物选择性低，催化活性低和稳定性差等问题，其性能仍不满足产业化要求。