一种双金属气体扩散电极及其制备方法和应用转让专利
申请号 : CN201910593133.7
文献号 : CN112176359B
文献日 : 2021-11-12
发明人 : 毛松柏 , 傅杰 , 李海涛 , 黎梓浩 , 黄汉根 , 吕秀阳 , 汪东 , 陈曦 , 郭本帅
申请人 : 中石化南京化工研究院有限公司 , 中国石油化工股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种双金属气体扩散电极,其特征在于,它包括气体扩散电极本体,以及负载在气体扩散电极本体上的二氧化碳电化学还原催化剂;
所述二氧化碳电化学还原催化剂为多壁碳纳米管担载的金基双金属,所述金基双金属由银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属构成。
2.根据权利要求1所述的双金属气体扩散电极,其特征在于,所述气体扩散电极本体选自碳纸、碳布或碳毡。
3.根据权利要求1所述的双金属气体扩散电极,其特征在于,所述二氧化碳电化学还原2
催化剂的负载量为0.5 10mg/cm。
~
4.根据权利要求1所述的双金属气体扩散电极,其特征在于,所述二氧化碳电化学还原催化剂的制备方法包括:以硼氢化钠为还原剂、柠檬酸三钠为稳定剂、四水合氯金酸为金的前驱体,分别以硝酸银、乙酰丙酮铜、四水合醋酸镍、五水合硝酸铋、二水合乙酸锌、醋酸亚铁、氯化铟、乙酰丙酮钴为第二种金属元素银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴的前驱体,以多壁碳纳米管为载体,采用液相还原法,依次加入金属前驱体溶液、柠檬酸三钠溶液、硼氢化钠溶液、载体,搅拌均匀,得到多壁碳纳米管担载的金基双金属催化剂。
5.根据权利要求4所述的双金属气体扩散电极,其特征在于,所述硼氢化钠溶液的浓度为0.01% 1%,柠檬酸三钠溶液的浓度为0.1% 10%,金属前驱体溶液的浓度为0.01% 10%,加~ ~ ~
入体积为1 10mL。
~
6.根据权利要求4所述的双金属气体扩散电极,其特征在于,所述液相还原反应的反应温度为0 50℃,反应时间为0.5 5h,搅拌速率为100 1000rpm。
~ ~ ~
7.一种如权利要求1 6任一所述的双金属气体扩散电极的制备方法,其特征在于,包括~
如下步骤:
1)将二氧化碳电化学还原催化剂分散到异丙醇和去离子水的混合液中,并加入Nafion溶液,得到混合溶液;
2)将混合溶液涂覆到气体扩散电极本体上,烘干后得到负载有二氧化碳电化学还原催化剂的气体扩散电极。
8.根据权利要求7所述的双金属气体扩散电极的制备方法,其特征在于,所述二氧化碳电化学还原催化剂在异丙醇和去离子水的混合液中的浓度为1 100g/L。
~
9.根据权利要求7所述的双金属气体扩散电极的制备方法,其特征在于,所述异丙醇和去离子水的体积比例为1:10 10:1;所述Nafion溶液与混合液的体积比例为1:1000 1:100。
~ ~
10.一种如权利要求1 6任一所述的双金属气体扩散电极的应用,其特征是用于二氧化~
碳电化学还原制备一氧化碳中。
说明书 :
一种双金属气体扩散电极及其制备方法和应用
技术领域
背景技术
醛、乙酸、乙醇、乙醛、乙二醇、草酸等物质,在减缓二氧化碳所带来的温室效应的同时产生
具有经济价值的化学品,具有环境和经济的双重效益,近年来受到广泛关注。
‑ ‑
e→CO2 ,其标准电势为‑1.9V vs. SHE,过电势较高,成为了二氧化碳电化学还原中的速控
步骤。而催化剂的引入,可以有效地稳定其中间产物,提高反应电势,降低过电势。
料。
的主要产物是一氧化碳,锡还原的主要产物是甲酸。相对于其他材料,金催化二氧化碳转化
为一氧化碳具有较高的法拉第效率。因而成为近年来二氧化碳电化学还原的研究重点。
2017, 139, 16161‑16167.]的研究表明,经柠檬酸盐稳定的金纳米颗粒和封装在第六代羟
基封端的聚酰胺基胺树枝状大分子中的金纳米颗粒,在‑0.8V vs. RHE下进行电解反应仅
15min,颗粒直径从约2nm增大到6 7nm,而使用更高代的第八代羟基封端的同系物封装的金
~
纳米颗粒,尺寸没有发生明显变化,其对二氧化碳电化学还原的催化活性始终保持在较高
的水平。此外,由于金的不同形貌,如金团簇、纳米金星、纳米金三角等,不但可以影响二氧
化碳电化学还原反应的效率,还可以影响反应的还原产物。
整结构层和设置于所述平整结构层表面的阵列凸起结构。该发明提供的硼氮共掺杂金刚石
电极,通过将硼氮共掺杂金刚石层的表层设置为阵列凸起结构,增加了硼氮共掺杂金刚石
层的比表面积和活性位点,从而提升了电极电催化还原CO2的能力,最终减少了CO2在大气中
积累,实现了废物资源化利用,具有很强的实用性。
化碳的法拉第效率的二氧化碳电化学还原材料是非常重要的。
发明内容
第效率和产率,而且还能够有效抑制氢气的生成。
属,形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构,显著增大了催化剂
对二氧化碳还原的电化学还原催化活性,提高产物一氧化碳的法拉第效率,有效抑制析氢
反应。
改性。
作为金的前驱体,将硝酸银、乙酰丙酮铜、四水合醋酸镍、五水合硝酸铋、二水合乙酸锌、醋
酸亚铁、氯化铟、乙酰丙酮钴等配成水溶液为第二种金属元素银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴的
前驱体,将金属前驱体溶液、柠檬酸三钠溶液、硼氢化钠溶液以及超声分散后的多壁碳纳米
管逐一加入到圆底烧瓶中,在水浴中均匀搅拌。
底烧瓶中,在水浴中均匀搅拌,得到多壁碳纳米管担载的金银双金属催化剂。该方法通过液
相还原反应合成,形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构,显著
增大了催化剂对二氧化碳还原的电化学还原催化活性。
10%,金属前驱体溶液的浓度为0.01% 10%。
~
为100 1000rpm。
~
~
合液的体积比例为1:1000 1:100。
~
室,H型双电化学池反应器密封;反应前阴极室通入二氧化碳气体;采用三电极体系,以负载
有二氧化碳电化学还原催化剂的气体扩散电极为工作电极,铂电极为辅助电极,银/氯化银
电极为参比电极,工作电极与辅助电极相对,参比电极靠近工作电极,反应溶液为碳酸氢钾
水溶液,施加工作电压;工作电极所在的阴极室进行磁力搅拌,反应室温下进行。
相产物通过核磁共振氢谱进行分析。
~ ~
可逆氢电极)。
金属,形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构,显著增大了催化
剂对二氧化碳还原的电化学还原催化活性,提高产物一氧化碳的法拉第效率,并且有效抑
制析氢反应;
为一氧化碳,电流效率高。
附图说明
具体实施方式
杯中并超声分散30min,量取150mL去离子水加入到500mL圆底烧瓶中,加入1mL氯金酸溶液
和1mL硝酸银溶液,逐滴加入2mL柠檬酸三钠溶液和2mL硼氢化钠溶液,最后加入超声分散后
的多壁碳纳米管,在冰水浴中均匀搅拌2h,搅拌速率为500rpm,经离心、洗涤、真空干燥后得
到多壁碳纳米管担载的金银双金属催化剂,即为二氧化碳电化学还原催化剂,称为AuAg/
CNTs催化剂。
AuCu/CNTs催化剂。
CNTs催化剂。
CNTs催化剂。
CNTs催化剂。
CNTs催化剂。
CNTs催化剂。
AuCo/CNTs催化剂。
到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂,称为AuCu/CNTs‑0.2催化剂。针对实施例9中的
AuCu/CNTs‑0.2催化剂进行X射线衍射表征,如图1所示,可知催化剂包括多壁碳纳米管以及
金和铜两种金属单质。
得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂,称为AuCu/CNTs‑0.15催化剂。针对实施例10
中的AuCu/CNTs‑0.15催化剂进行X射线衍射表征,如图1所示,可知催化剂包括多壁碳纳米
管以及金和铜两种金属单质。
到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂,称为AuCu/CNTs‑0.1催化剂。针对实施例10中的
AuCu/CNTs‑0.1催化剂进行X射线衍射表征,如图1所示,可知催化剂包括多壁碳纳米管以及
金和铜两种金属单质。
得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂,称为AuCu/CNTs‑0.05催化剂。针对实施例10
中的AuCu/CNTs‑0.05催化剂进行X射线衍射表征,如图1所示,可知催化剂包括多壁碳纳米
管以及金和铜两种金属单质。
以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂,称为AuCu/CNTs‑0.0375催化剂。针对实施
例10中的AuCu/CNTs‑0.0375催化剂进行X射线衍射表征,如图1所示,可知催化剂包括多壁
碳纳米管以及金和铜两种金属单质。
以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂,称为AuCu/CNTs‑0.025催化剂。针对实施例
10中的AuCu/CNTs‑0.025催化剂进行X射线衍射表征,如图1所示,可知催化剂包括多壁碳纳
米管以及金和铜两种金属单质。
拌下得到混合溶液。
二氧化碳电化学还原催化剂的气体扩散电极,二氧化碳电化学还原催化剂的负载量为1mg/
2
cm。
15 实施例1 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
16 实施例2 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
17 实施例3 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
18 实施例4 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
19 实施例5 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
20 实施例6 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
21 实施例7 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
22 实施例8 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
23 实施例9 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
24 实施例10 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
25 实施例11 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
26 实施例12 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
27 实施例13 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
28 实施例14 10 1000, 1:3 10 5% 碳纸 1
29 实施例4 20 1000, 1:3 10 5% 碳布 2
30 实施例4 50 1000, 1:5 5 5% 碳毡 5
31 实施例4 70 1000, 1:10 5 3% 碳布 7
32 实施例4 10 1000, 5:1 10 5% 碳纸 1
~
性扫描伏安曲线。如图2所示,分析可知二氧化碳气体饱和状态下测得的线性扫描伏安曲线
位于氩气饱和状态下测得的线性扫描伏安曲线的下方,表明在相同电势下,二氧化碳气体
饱和时,实施例16制得的气体扩散电极的电流密度更大,即该气体扩散电极具有二氧化碳
电化学还原性能。
30min。
×2cm的铂片电极为辅助电极,银/氯化银电极为参比电极,工作电极与辅助电极相对,参比
电极靠近工作电极,电解液为0.5mol/L碳酸氢钾水溶液,施加工作电压‑0.5V vs. RHE。
金两种金属,形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构,显著增大
了催化剂对二氧化碳还原的电化学还原催化活性,提高产物一氧化碳的法拉第效率。尤其
是应用例1产物一氧化碳的法拉第效率最高。