[发明专利]一种均相AuNi合金催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种均相AuNi合金催化材料及其制备方法，属于电催化技术领域。本发明采用静电纺丝法制备纳米纤维膜，结合简便高效的阶梯升温法及高温热还原方法制得均相AuNi合金纳米颗粒，制备方法操作简便，环保高效。利用本发明方法制备的催化材料合金颗粒达到纳米尺度，用于电化学还原二氧化碳制备一氧化碳，催化活性高，其中，催化材料Au₁Ni₁/CNFs的CO最优法拉第效率能够达到92％，电流密度达到3.9mAcm^‑2。同时能够有效抑制析氢反应，具有较高的选择性和稳定性，所制的催化材料Au₁Ni₁/CNFs在连续工作12h后，依然能保持稳定。

技术领域

本发明涉及一种均相AuNi合金催化材料及其制备方法，属于电催化技术领域。

背景技术

近年来，化石能源的大量使用，使得大气中排入巨量的二氧化碳气体，从而引起了如全球气候变暖等一系列环境问题。如何提高能源的高效利用与转化，已成为一个极具挑战的问题。在诸多二氧化碳转化再利用的方案中，电催化还原二氧化碳因其具有清洁、高效以及可持续等优点，为人们解决能源与环境问题提供了方向。

在诸多电催化还原二氧化碳产物中，CO因其反应路径简单高效且经济利用价值较高，成为研究最为广泛的一种产物。二氧化碳分子为直线型对称结构，碳氧键键能高达750kJ/mol，具有很高的还原势垒。目前电催化还原二氧化碳面临的最大挑战是研制出高活性、高选择性以及高稳定性的催化材料。

金(Au)被认为是一种具有十分优异的二氧化碳电还原性能的元素。然而，多晶金纳米颗粒所表现出的二氧化碳电还原性能往往不尽如人意。近年来，对于Au基电催化还原二氧化碳催化材料的研究主要集中于调整其颗粒尺寸、纳米结构的形貌等方面，但上述催化材料的制备方法存在有制备复杂、可调控性差等缺点，难以满足实际应用的需要。此外，金合金化也能有效提高电催化还原二氧化碳的性能，最近研究利用液相合成法制备的Au-Cu合金、Au-Sn合金等，均表现出优异的催化性能，但液相合成受限于还原剂与稳定剂的使用会产生环境污染，不利于后处理步骤，且合成的催化剂产量较低。此外，传统的静电纺丝膜热处理方法易导致纳米纤维交联板结，使其纳米纤维结构消失，从而会大大降低其催化效率。同时，金的价格昂贵，会增加催化剂的制备成本，因此开发出一种经济高效且稳定的电催化还原二氧化碳催化剂对大规模转化二氧化碳具有十分重要的价值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种均相AuNi合金催化材料及其制备方法，该方法能够有效克服电催化还原二氧化碳催化剂效率低、析氢副反应严重、选择性低以及制备过程繁琐等缺点，并大大提高金属纳米颗粒的利用效率。该制备方法经济高效、简便易得，所制催化材料催化活性优异、选择性出色且稳定性良好。

本发明的第一个目的是提供一种均相AuNi合金催化材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)制备含有金盐和镍盐静电纺丝溶液：按照摩尔比称取金盐与镍盐，加入到超细碳纤维前驱体溶液中，搅拌制得均一的静电纺丝溶液；

(2)制备含有金盐和镍盐静电纺丝纳米纤维膜：利用静电纺丝法对步骤(1)中的静电纺丝溶液进行纺丝，制得纳米纤维膜，

(3)制备均相AuNi合金纳米催化材料：先将步骤(2)中制备得到纳米纤维膜在空气氛围中进行阶梯式升温预氧化处理，然后进行高温处理，在惰性气体氛围下，以1～10℃/min的升温速率升至300～500℃并恒温3～5h，恒温结束后在惰性气体和H₂混合的氛围下，以1～10℃/min的升温速率升至700～1000℃并恒温1-5h进行高温热还原及金镍合金化，恒温结束降至室温，即制备得到碳纳米纤维原位负载均相AuNi合金纳米颗粒的催化材料。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述金盐为氯金酸、三氯化金中的一种或两种。