[发明专利]一种疏水高分子膜负载蒸镀金属气体扩散电极、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种具有高效电催化二氧化碳还原生成多碳产物的疏水高分子膜负载蒸镀金属气体扩散电极的制备方法及应用，所述气体扩散电极包括疏水高分子膜以及负载于所述疏水高分子膜表面的金属材料。所述疏水高分子膜包括但不限于聚四氟乙烯，孔径为0.1‑1μm；所述疏水高分子膜中含有的起支撑作用的材料包括但不限于聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯。所述金属材料包括但不限于铜、银、金、锌。本发明还公开了上述电极的制备方法和电催化用途。上述电极材料可应用于电化学还原二氧化碳，并对多碳产物具有较高的选择性，在推动电催化材料进一步实现器件化上有重要的作用，在环境科学和新能源领域有着非常广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种具有高效电催化二氧化碳还原生成多碳产物的疏水高分子膜负载蒸镀金属气体扩散电极、制备方法及应用。其作为电催化材料，具有较高的电催化二氧化碳生成多碳产物(乙烯、乙醇及乙酸等)性能。未来将其用于电催化二氧化碳还原的阴极电极，有望推动电催化材料进一步实现器件化、工业化，在环境科学和新能源领域有非常重要的前景。

背景技术

化石燃料不仅作为便携式、可调度的能源载体，还是化学原料、肥料的来源。随着社会发展，人类对于化石燃料的依赖与日俱增，而这便导致全球能源的不断消耗和环境与气候问题加剧。电化学二氧化碳还原反应(CO₂ reduction reaction,CO₂RR)可以将二氧化碳转化为有价值的燃料和原料，为上述问题的解决提供了极具吸引力的方案，从而有助于存储间歇性可再生电力，并关闭人工碳循环。

研究发现，银、金、锌可用于催化CO₂电还原成CO。与单碳产物相比，乙烯(C₂H₄)、乙醇(C₂H₅OH)等多碳产物具有更高的能量密度和市场价值。二氧化碳转化为乙烯是一个12电子的还原过程，在已开发的电催化剂材料中，铜基催化剂在高电流密度下具有较高的选择性。然而，尽管目前在催化剂和反应器设计方面取得了一些进展，但是CO₂RR的能效仍无法满足商业需求。改善乙烯等多碳产物CO₂RR选择性和产率的研究对于这一技术的市场化至关重要。铜催化剂表面的化学微观结构在决定反应路径，增大表面积，促进定向转化反应等策略中起着至关重要的作用。为了提高产物的选择性并降低反应能垒，已探索了调控铜氧化态，暴露高折射率小面，引入应变效应和表面结构重构等方案。但是，表面化学微观结构的综合控制和特征化仍然具有挑战性。此外，负载在普通碳支撑气体扩散电极上的催化剂通过胶黏剂与气体扩散电极粘合，在大电流催化过程中会发生气体扩散层破坏、催化剂脱落等情况，而这归因于催化剂与气体扩散层结合不牢固、分布不均造成其工作状态下局部电压分布不均，以及气体扩散层电化学性能不稳定、机械性能较差。

为了解决上述问题，本发明利用简单的蒸镀工艺，综合调控金属的表面形貌，将金属材料蒸镀在疏水高分子膜上，使金属与气体扩散层的结合力增强，同时高分子膜的稳定性可使所形成的电极在大电流下保持对CO₂RR多碳产物的高选择性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高效电催化二氧化碳还原生成多碳产物的疏水高分子膜负载蒸镀金属气体扩散电极、制备方法及应用，制备方法简单，可重复性高。所制备的气体扩散电极具有较高的催化二氧化碳还原反应活性及多碳产物选择性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种疏水高分子膜负载蒸镀金属气体扩散电极的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

疏水高分子膜的表面用氮气或氩气吹扫干净；在疏水高分子膜上蒸镀一层厚度为1-1000nm的金属。

进一步的，所述在疏水高分子膜上蒸镀一层厚度为100-900nm的金属优选厚度为300-800nm的金属；更优选厚度为500-700nm的金属。

进一步的，所述在疏水高分子膜上蒸镀一层厚度最优选为600nm的金属。