[发明专利]一种镍-氮共掺杂的碳电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种镍‑氮共掺杂的碳电催化剂，所述镍‑氮共掺杂的碳电催化剂为镍‑氮共掺杂的多孔碳纳米片。本发明还提供一种镍‑氮共掺杂的碳电催化剂的制备方法：将苯甲酸钠、醋酸镍和醋酸锰加入到DMF中，溶解后加入对苯二甲酸得到混合溶液；对混合溶液加热，生成以Ni²⁺和Mn²⁺为中心金属离子、以对苯二甲酸为有机配体的金属有机框架化合物，分离；将金属有机框架化合物在氨气氛围下进行焙烧，金属有机框架化合物中的对苯二甲酸碳化，Ni²⁺与N形成配位键，Mn²⁺转变为氧化锰；通过酸洗涤将氧化锰去除，得到镍‑氮共掺杂的多孔碳纳米片。本发明提供的碳电催化剂应用在CO₂电催化还原为CO，具有高选择性和高催化活性的优点，该制备方法条件温和且易于操作。

技术领域

本发明涉及能源化工技术领域，特别涉及一种镍-氮共掺杂的碳电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

电催化CO₂还原反应是将CO₂还原转化为高附加值燃料的最有前景技术之一，这些高附加值产品包括甲烷，甲酸，CO等。在这些产品中，CO是重要的化工原料，被用于如费-托合成工艺等工业生产中，近年来受到广泛关注。但是这一技术的发展和应用受限于催化剂的低选择性和低活性。

在过去的几年里，学者们致力于研究开发高选择性将CO₂转化为CO的电催化剂，主要包括金属(Cu，Au，Ag等)、碳材料(CNS，CNF，石墨烯)、复合材料、MOF材料等。诸如金(Au)和银(Ag)之类的贵金属催化剂已经被成功开发，并具有较高的选择性和反应活性，但是其仍然受到昂贵成本的限制。相对于金属的高价格和低储量，非金属，尤其是碳材料，来源更广，价格也低廉得多，且对环境友好，因此许多研究者正在尝试将金属负载于非金属基底上来电化学催化还原CO₂。非金属基底能帮助降低金属使用量，提高金属利用率，稳定、分散金属纳米粒子，通过支撑物效应改变金属催化剂的电子云结构，从而提高催化剂的活性和选择性。因此为了降低成本，碳基电催化剂为解决这一棘手问题开辟了新的途径。值得提出的是，虽然碳基材料具有较有廉价易得等优点，但是其选择性和活性较低的问题任然需要进一步解决。

随后开始对碳基催化剂进行改性和修饰，最终探索出了过渡金属-氮共掺杂的碳基催化剂。如公开号为CN106964383A的专利文献公开了一种具有电催化还原二氧化碳性能的复合材料及其制备方法和应用。其中，该复合材料为三维网络状结构，包括三维多孔碳支架，在所述三维多孔碳支架上负载有钴元素，形成钴-碳活性催化中心，或者在所述三维多孔碳支架上负载有钴元素和氧元素，形成钴-碳-氧活性催化中心。所述钴-碳活性催化中心由腐植酸-酚醛树脂泡沫与水溶性钴盐经水热反应再经热处理形成，所述钴-碳-氧活性催化中心由腐植酸-酚醛树脂泡沫与水溶性钴盐经水热反应和热处理，再与氧气反应形成。

然而，共掺杂催化剂的形式多种多样，研究者通过改变合成方法和选择不同的前驱体试图获得选择性更高的催化材料，但如何能显著提高电催化生成CO的选择性仍是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种镍-氮共掺杂的碳电催化剂，应用在CO₂电催化还原为CO，具有高选择性和高催化活性的优点。本发明还提供了一种镍-氮共掺杂的碳电催化剂的制备方法，条件温和且易于操作。

本发明提供如下技术方案：

一种镍-氮共掺杂的碳电催化剂，所述镍-氮共掺杂的碳电催化剂为镍-氮配位共掺杂的多孔碳纳米片。

所述镍-氮共掺杂的多孔碳纳米片的BET比表面积为300-1000m²g^-1。