[发明专利]二氧化碳电化学还原用纳米多孔锌电极及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种二氧化碳电化学还原用纳米多孔锌电极的制备方法及其应用，包括基底层、基底层外表面的Zn电沉积层及Zn电沉积层表面形成的Zn催化剂纳米层，电极的Zn催化剂纳米层由粒径1nm‑300nm的Zn纳米颗粒组成；电极的Zn催化剂纳米层中含有直径1nm‑300nm的孔道，Zn催化剂纳米层的孔隙率为2‑15％；Zn电沉积层厚度为500nm‑0.05mm，Zn催化剂纳米层厚度为100‑500nm。本发明通过在基底上电沉积，热处理和电化学还原，制备出有丰富边缘活性位的Zn纳米颗粒，显著提高了电极的比表面积和活性面积，提高了电极对二氧化碳的电化学还原为甲酸的法拉第效率。

技术领域

本发明涉及二氧化碳电化学还原技术领域，特别涉及二氧化碳电化学还原用电极的技术领域。

背景技术

近年来，随着全球经济的发展，世界各国对能源需求的日益增长，大气中CO₂的排放量不断增加，其引发的全球气候变暖及生态问题是人类可持续发展的严峻挑战。为有效地缓解“温室效应”、降低大气中CO₂的含量，将CO₂进行回收转化是重要的途径之一。CO₂是碳的最高氧化阶段的产物，从化学变化角度看，它处于很稳定的状态，近乎于“惰性气体”。因此，寻找一种有效的方法转移CO₂一直是社会关注的焦点。CO₂作为一种潜在的碳资源，其转化固定方法很多，如氢化作用、电化学还原、生物化学转化和光催化还原等。其中，利用电化学方法使CO₂还原成有用物质是一条重要的途径。

电化学还原CO₂(ERC)技术利用电能(可再生能源发电)将CO₂转化为化学品，实现CO₂资源化利用及可再生能源储存。电化学还原CO₂能够有效利用可再生的电能，能够减少大气中CO₂的积累，从而实现碳能源的循环平衡，为碳中和战略提供有效途径，具有较好的研究和应用前景。ERC应可在温和条件下进行，即不需高温高压；电化学设备可获得较其他化学转化设备更高的能量利用效率；ERC提供了一种将可再生能源及核能转化为交通所需燃料的途径，利用廉价反应物CO₂和H₂O转化可再生能源或富余核能，ERC的产物可直接或用作原料来化学合成其它化工产品。大部分ERC产物的生产耗能的价格远低于该产物的市场售价，因此具有一定的经济效益。将ERC的产物作为能量载体，能量密度高，以化学能的形式储存电能，可平衡风力和太阳能等产生的电力资源间歇性的输出。ERC技术可实现电-气协同，通过电极电位可以直接控制催化剂表面自由能，为控制反应速率和产物选择性创造条件。

CO₂电化学还原制备有机酸如甲酸是ERC技术中的一个重要研究方向。甲酸是一种常用的基本有机化工原料，广泛的用于农药、皮革、染料、医药和橡胶工业。在传统的应用中，甲酸可直接用于织物加工、鞣革、纺织品印染和青饲料的贮存，也可用作金属表面处理剂、橡胶助剂和工业溶剂。在有机合成中用于合成各种甲酸酯、吡啶类染料和甲酰胺系列医药中间体。甲酸还能作为一种储氢材料，在需要的时候通过适当反应就能释放出大量氢气以供使用，是氢能源的广泛使用和安全运输的稳定中间体。甲酸还可以用来制作以甲酸为基础的燃料电池。目前，用于电催化二氧化碳还原生成甲酸催化剂主要有Hg、Pb、Sn、Bi、In、Cd,Tl等。Pb、Hg、Cd,Tl等金属电催化二氧化碳还原具有很高的法拉第效率，但其电流密度较低，且属于重金属，毒性比较大，限制了其实际应用。In、Bi为稀有金属，全球储量小，价格较贵，限制了其发展前景。