[发明专利]一种钴/石墨烯催化剂

说明书

本发明公开了一种钴/石墨烯复合催化剂，制备方法及其应用。该催化剂通过水热法制备晶型为面心立方的钴与石墨烯的复合催化剂，通过X‑射线衍射和透射电子显微镜技术分析，钴单质呈面心立方晶相，并较均匀地分散在石墨烯片层上。液体核磁测试数据表明在0.1M的NaHCO₃的电解液中，电解电位‑1.8V下的还原产物是乙醇。在长达15小时的控制电位电解实验中，呈现出较高的还原能力及较高的稳定性，电流密度基本维持在16.2mA·cm^‑2。相比于密排六方的钴单质，其还原能力有过之而无不及，且还原产物是具有更高商业价值的乙醇。对于电化学还原二氧化碳来说，该材料在还原制备碳氢燃料方面有着举足轻重的价值。

技术领域

本发明属于新能源领域。具体涉及到一种钴/石墨烯催化剂。

背景技术

随着经济的快速发展，人们对能源的消耗日益增加，由此带来各种环境问题，如：全球变暖、温室效应和水土流失等，这些问题主要归因于CO₂的大量排放而又得不到很好的转化利用。自然界中存在丰富的CO₂，与此相反不可再生能源又在不断减少，面临这种情况，人们逐渐将研究方向转向如何提高可再生能源的利用率及转化现有能源的储存方式上。在这种驱动下，还原CO₂制备清洁可利用能源成为了目前最有发展前景的研究方向之一。该方案不仅可以减少CO₂带来的环境问题；又可以缓解能源危机，将CO₂变废为宝，转化成清洁能源进一步利用；更重要的是，CO₂在还原过程中不会产生新的有害产物。但难点在于CO₂是碳的最高氧化态，性质稳定，不易被活化成其他形式的中间产物，利用率较低。对于此难题，应运而生的还原CO₂的方法有：化学法、电化学法和光催化法。其中电化学还原CO₂的实质是利用电子的得失来实现CO₂的还原，所需要的实验装置简单，操作便捷，容易进行大规模扩建；温度对反应的影响不大，同时也可以方便的改变测试条件(如：电极电位﹑电解液、扫描速度等)控制还原产物的种类，及调整反应物的使用率与还原产物的转化率；该方法能够克服反应中间体CO₂^-离子所需的高电位，有利于活化CO₂。所以电化学法就成为了还原CO₂最简洁有效的手段之一。研究发现，谢等[S.Gao,Y.Lin,X.Jiao,Y.Sun,Q.Luo,W.Zhang,D.Li,J.Yang,Y.Xie.Partially oxidized atomic cobalt layers for carbon dioxideelectroreduction to liquid fuel[J].Nature,2016,529(7584):68-71]以钴和部分氧化的钴(钴与氧化钴共存)为电极材料，在低至0.24V的过电位下CO₂的主要还原产物为甲酸；Kim等[D.Kim,J.Resasco,Y.Yu,A.M.Asiri,P.Yang.Synergistic geometric andelectronic effects for electrochemical reduction of carbon dioxide usinggold-copper bimetallic nanoparticles[J].Nature communications,2014,5:4948]以金-铜合金为电极材料，研究了双金属之间的协同及电子效应对CO₂还原的作用，主产物有CO、甲烷、甲酸和乙醇等；Asadi等[M.Asadi,B.Kumar,A.Behranginia,B.A.Rosen,A.Baskin,N.Repnin,D.Pisasale,P.Phillips,W.Zhu,R.Haasch,R.F.Klie,P.Kral,J.Abiade,A.Salehi-Khojin.Robust carbon dioxide reduction on molybdenumdisulphide edges[J].Nature communications,2014,5:4470]以钼为电极材料电化学还原制备的甲醇等等。采用电化学法还原CO₂的产物大部分是碳氢化合物，除了上述所举例之外主要还有甲酸和甲酸盐等，甲醇，一氧化碳，醋酸和醋酸盐，碳氢化合物以及其他的C3或C4产物等。乙醇作为一种常用的化学试剂，对于化工化学领域的作用不言而喻。广泛应用于化工，医学，食品等领域，其科研价值和商业价值都要高于C1形式的产物。在CO₂还原体系中，能够以乙醇作为主要还原产物的金属并不多，常用的有铜或者铜的合金等。所以开发一种新的能够将CO₂转化成C2产物的催化剂成为了当下很有意义的事情。