[发明专利]一种二氧化碳电化学还原用气体扩散电极及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原用气体扩散电极及其制备和应用，电极包括基底层、及基底层上附着的Sn催化剂和有机助剂混合层，Sn催化剂和有机助剂二者摩尔之比为100:1‑30:1，电极中Sn催化剂的担载量为0.1mg/cm^‑2‑5mg/cm^‑2。在二氧化碳电化学还原过程中，基底层起到支撑体、导电、形成液体和气体传输通道的作用，Sn催化剂催化二氧化碳还原，而有机助剂可以稳定中间反应物CO₂·^‑，提高CO₂浓度，从而降低二氧化碳电化学反应的过电位，提高其电流密度和效率。此外，该电极中助剂还将Sn催化剂锚定在碳基底表面，该电极具有很高的稳定性。

技术领域

本发明涉及二氧化碳电化学还原用电极及其应用，属于二氧化碳资源化利用和储能技术领域。

背景技术

近些年来，随着经济的快速发展，环境问题和能源短缺问题日趋严重。其中，全球变暖也已成为世界各国亟待解决的难题，而CO₂的大量排放是全球变暖的主要原因之一。因而，如何有效利用CO₂及减少CO₂的排放引起了人们的广泛关注。

从能耗和成本上综合考虑，电化学还原法具有可在常温常压反应、能耗低和转化效率较高等优点，是CO₂转化技术中较为可行的途径之一。ERC技术是利用电能将CO₂还原为各种有机小分子或化工产品，有效实现温室气体CO₂资源化利用的一种技术。随着可再生能源发电技术的迅速发展，发电技术的成本有望大幅度下降。利用可再生能源发电，再利用电能将二氧化碳合成有机物，实现电能向化学能的转化和储存。ERC技术不仅可节约石油、天然气和煤等化石能源，而且变废为宝，使CO₂得到有效利用，减少了CO₂造成的环境污染。因此，ERC技术具有潜在的经济效益和环境效益。

Sn基催化剂是催化CO₂电化学还原的有效催化剂之一。由于Sn金属大量存在于地壳中，价格比较低廉，对于大规模的工业应用，将会使成本大大降低。最后，相对于其他用于还原CO₂制有机酸的催化剂(Pb、Cd、Hg等)，Sn金属对于环境的污染也是很小的，是一种环境友好的金属催化剂。因此Sn基催化剂是一种具有很大研究前景的ERC催化剂。但目前Sn催化剂的性能还比较低。

很多人通过利用化学法合成氧化锡、锡等催化剂，再利用PTFE作为粘结剂，将其喷涂到扩散层表面，得到电极。然而这种制备方法比较复杂，且电极的性能较低(法拉第效率低于60％)。此外，上述电极主要是通过各种方法将Sn催化剂制备在锡箔及玻炭电极上，在实际应用过程中，需要将制备的催化剂在电极上刮下来，再通过粘结剂涂覆到碳基底表面，从而导致电极制作过程繁琐，且制备催化剂由于粘结剂的包覆，活性比表面下降，从而导致活性降低。此外Sn基催化剂在长期电解的过程中，易被分解并发生毒化，使电极的性能下降。

本发明针对上述缺点，通过电化学方法，在基底上原位沉积Sn纳米棒催化剂，并在其表面分散有机助剂，制备得到Sn催化剂的多孔气体扩散电极建立稳定的气/液/固三相界面、缩短气体扩散路径、提高电极反应速率，不但可以简化催化剂的制备过程，并可以有效控制催化剂的优势晶面和形貌，从而调控电极的性能。在二氧化碳电化学还原过程中，基底层起到支撑体、导电、形成液体和气体传输通道的作用，Sn催化剂催化二氧化碳还原，而有机助剂可以稳定中间反应物CO_2.^-，提高CO₂浓度，从而降低二氧化碳电化学反应的过电位，提高其电流密度和效率。此外，该电极中助剂还将Sn催化剂锚定在碳基底表面，该电极具有很高的稳定性。相比于上述在锡箔及玻炭电极上及直接合成的Sn催化剂后再涂覆在基底上制备电极的方法，利用本发明原位制备的气体扩散电极具有优异的法拉第效率和对甲酸产物的选择性。所制备的气体扩散电极不但可以提高电极的有效活性面积，还可以提高反应物的传输，从而降低传质极化，提高其性能，更有利于ERC的实际应用。此外本发明所提供的方法简单、易控，利于大规模生产。