[发明专利]电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种电催化剂，该电催化剂包括基底以及负载于所述基底上的金属钴单质。本发明还提供了该电催化剂的制备方法以及其在二氧化碳还原中的应用。本发明的电催化剂的独特的纳米结构赋予了其丰富的几何边缘活性位点、较好的产物选择性和较为优秀的法拉第效率。

技术领域

本发明属于电化学催化领域，具体涉及一种电催化剂、其制备方法，以及其在电催化二氧化碳还原中的应用。

背景技术

电催化二氧化碳还原(CO₂RR)作为一种清洁、高效的利用CO₂的手段，在降低CO₂排放的同时将CO₂转化为高附加值产物，对环境改善具有重要意义。而限制其发展和应用的主要因素是高效稳定的电催化剂的合成。

CO₂RR中活性基团*CO₂在催化剂表面的吸附方式对最终产物的结构具有决定性的作用。O原子优先吸附到催化剂表面时，最终产物大多数情况为甲酸或甲酸盐。C原子优先吸附在催化剂表面时，经过脱氧形成CO活性中间体，进行后续耦合反应，获得多碳产物。目前，以Ni、Fe、Bi、Sn、Au、Pd等金属为催化剂，可以获得一氧化碳(CO)或甲酸(HCOO-)等电催化CO₂还原产物。以金属铜作为催化剂，可以获得多碳产物。由于碳-碳偶联(C-C)涉及多步的质子-电子转移，多碳产物的合成对催化剂的表面结构有更高的要求。设计更易吸附C原子的催化剂表面结构，对获得多碳产物至关重要。尽管铜基催化剂是获得C²⁺产物的普遍选择，其较差的选择性和稳定性限制了其大规模应用。因此，在CO₂RR中如何获取更高质量的碳-碳偶联产物(C2)是个难题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题之一，本发明提供了一种钴基二氧化碳电催化材料及其制备方法，从而解决现有电催化剂合成方法复杂、产物选择性较低的问题。

在第一方面，本发明提供了一种电催化剂，包括基底以及负载于所述基底上的金属钴单质。

在一些实施方式中，所述金属钴单质材料具有枝晶结构。在一些实施方式中，所述金属钴单质材料的表面负载有羧酸根离子，优选醋酸根离子。本申请的金属钴材料具有独特的结构，其具有枝晶结构并且表面具有羧酸根修饰，这种独立的结构赋予了其丰富的几何边缘活性位点、良好的产物选择性和优秀的法拉第效率。

在一些实施方式中，所述催化剂中，钴元素在所述基底上的负载量为0.1-10mg/cm²，例如为0.1mg/cm²、0.5mg/cm²、1mg/cm²、2mg/cm²、4mg/cm²、5mg/cm²、10mg/cm²或它们之间的任意值，优选为0.2-8mg/cm²，更优选为0.4-6mg/cm²。

在一些实施方式中，所述基底选自碳纤维基底，优选选自碳布和碳纸中的一种或多种。

在第二方面，本发明提供了一种电催化剂的制备方法，包括将可溶性钴盐溶液在基底上进行电化学沉积。

在一些实施方式中，所述可溶性钴盐为羧酸钴盐，优选为醋酸钴。本发明采用羧酸钴盐在基底上进行电化学沉积得到金属钴单质。

在一些实施方式中，所述可溶性钴盐溶液中钴离子的浓度为10-50mmol/L，例如为10mmol/L、20mmol/L、30mmol/L、40mmol/L、50mmol/L或它们之间的任意值。在一些优选实施方式中，所述可溶性钴盐溶液中钴离子的浓度为15-25mmol/L。

在一些实施方式中，所述电化学沉积的电压为-1V至-5V，例如为-1V、-2V、-3V、-4V、-5V或它们之间的任意值。在一些优选实施方式中，所述电化学沉积的电压为-2V至-4V。