[发明专利]一种二氧化碳电还原阴极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电还原阴极及其制备方法，所述阴极结构是以碳纸、碳毡或碳布作为基底，在基底的一侧表面依次附着有两层不同孔径的催化层，按顺序依次为基底、大孔径杂原子掺杂的纳米碳层、小孔径的金属和杂原子掺杂纳米碳层。大孔径的催化层有利于CO₂的传输及产物的传输，降低传质电阻；小孔径的杂原子掺杂纳米碳层有利于提高催化剂反应活性比表面积，提高反应活性；将这种结构应用于ERC中，较大幅度拓展三相电化学反应界面的面积，提高催化剂的利用率，有利于减小电解池的传质极化，利用其与CO₂电还原产物之间的吸附性或形成化学键，增加指定还原产物的选择性和转化率，实现对还原产物的高选择性目标。

技术领域

本发明涉及二氧化碳电还原(ERC)技术领域，特别涉及二氧化碳电还原阴极材料。

背景技术

近年来，可再生能源技术发展迅速，发电成本有望大幅度下降，如果将CO₂的有效转化与可再生能源技术相结合，将二氧化碳转化为有机化学品，实现电能向化学能的转化，不但使CO₂转化技术更具经济性，还可以形成一个碳的闭合循环和能量转化循环，使CO₂得到有效利用。电化学还原CO₂(ERC)技术是利用电能将CO₂还原为各种有机化学品，实现CO₂资源化利用的一种技术。与其他CO₂转化技术相比， ERC技术的突出优势在于可利用水作为反应的氢源，在常温常压下即可实现CO₂的高效转化，因此不需要化学转化技术所需的制氢及加温、加压所造成的能量消耗，设备投资少。此外，在CO₂电化学还原过程中，可通过调控电极组分、结构及反应条件实现对不同产物选择性的控制。因此，ERC技术具有潜在的经济效益和环境效益，引起了人们广泛关注。有人预期，未来CO₂化学化工将成为一个新的有机化工体系，它的发展对解决人类面临的能源和环境问题具有重要意义。

迄今为止，ERC研究中使用的电极主要有平板电极，气体扩散电极和修饰型平板电极。研究发现，修饰型平板电极在平板电极表面生长或沉积不同形貌和结构的表面覆盖层，增加了表面亚取向位的数量，从而可以提高ERC反应速度，改变还原产物的选择性，并增加电极的稳定性，因而成为近年来平板电极改性的重要途径。在使用气体扩散电极(GDE)进行CO₂电化学还原过程中，由于其单位几何面积上的反应活性位多，从原理上可以提高ERC的反应速度。然而，由于 CO₂在水中的溶解度太低，GDE反应活性位附近CO₂浓度快速消耗，传质极化严重，在室温、常压下的还原反应速度远低于燃料电池和液流电池，因而不能彰显出GDE的优势。如果能将对CO₂具有“捕获”功能的材料引入GDE结构中，提高电极表面CO₂浓度，则可有效缓解传质极化导致的CO₂转化率低的问题，并抑制析氢副反应发生。中国专利(公开号：CN01110538)公开一种质子交换膜燃料电池复合催化层的制备方法，催化层分为内外两层，外层催化层使用PtRu/C作 CO的电催化剂，其中不含质子导体，内层催化层由Pt/C或Pt黑与 Nafion构成，作用为电催化H₂和O₂的电化学反应。此制备方法简单易行，可以提高材料的性能。由于二氧化碳电还原过程中，即需要电极表面的CO₂浓度比较高、且需要表面活性位数量大，且对CO₂及中间反应产物有适中的吸附强度。因此燃料电池的这种结构的电极，不适用于二氧化碳电还原技术。

本发明针对上述缺点，提供一种二氧化碳电还原阴极结构,该电极结构为梯度电极，包括两个部分，一层为碳基底上的大孔径的杂原子共掺杂纳米层，一层为小孔径的金属、杂原子掺杂层。该电极中，均采用非贵金属催化剂，通过设计不同孔道的功能层，分别实现传质电阻的降低及反应活性和选择性的提高。

发明内容