[发明专利]一种用于电催化还原烟道气制甲酸的催化剂及制备方法

说明书

本发明涉及一种用于电催化还原烟道气制甲酸的催化剂及制备方法；称取可溶性锡盐溶于无水乙醇中形成前驱体溶液A，将醇胺分子溶于无水乙醇中形成前驱体溶液B；将前驱体溶液A加入反应器中，搅拌下向其中滴入前驱体溶液B，滴加结束加入碳粉；水浴加热，使乙醇沸腾进行回流反应；反应结束后，分离，洗涤，在高于室温的烘箱中干燥；得到催化剂C_xH_2x(OH)_yNH_3‑y‑SnO₂/C，其中x＝2～6,y＝1～3；本发明催化剂通过简易的水热法得到醇胺分子修饰的锡氧化物催化剂并用于电催化还原烟道气制甲酸反应，性能优异。在不同二氧化碳浓度下得到甲酸法拉第效率和分电流密度在最优电位下分别能达到45％和2mA·cm^‑2以上。

技术领域

本发明属于电催化还原烟道气制甲酸领域，具体地说即一种催化剂在电催化还原烟道气制甲酸领域的应用方法及其制备方法。

背景技术

化石燃料的燃烧产生大量二氧化碳，是造成温室效应最主要的气体之一。将空气中的二氧化碳捕集并转化成高附加值的化学品可以同时解决资源与环境问题。但是目前关于二氧化碳的研究主要集中于纯二氧化碳，忽视了在空气中二氧化碳的浓度仅为400ppm左右。研究表明，空气中的二氧化碳主要来自于烟道气，在工业上将烟道气中二氧化碳捕集并转化步骤繁琐，能耗较高(EnergyEnvironmental Science,2020,13,3706-3722)，利用电催化的方法直接将烟道气中的二氧化碳转化为高附加值的化学品，不仅能够降低经济成本，还能解决环境与能源问题，意义重大。甲酸是一种重要的工业中间体，可以用来做还原剂，金属表面处理剂。特拉华大学的Jiao Feng研究组(IndustrialEngineeringChemistry Research,2018,57,2165-2177)的经济研究调查表明，甲酸和一氧化碳等C₁产物是最具有经济价值的电还原产物，因此将烟道气中的二氧化碳直接转化为甲酸在工业上具有广阔的应用前景。

在烟道气中由于氧气的存在，会大大影响催化剂电催化还原烟道气中二氧化碳的能力。加拿大多伦多大学的Sargent教授研究组发现(EnergyEnvironmental Science,2020,13,554-561)，在反应体系里加入氧气时，电催化还原二氧化碳活性急剧降低。并且烟道气中二氧化碳浓度较低，约为6～15％，因此直接电还原烟道气中二氧化碳的第一个挑战是二氧化碳的富集。由于路易斯酸和路易斯碱之间的相互作用，工业上主要利用乙醇胺等含有氨基基团的有机分子^[4]对二氧化碳进行吸附来富集二氧化碳，但是这在传统的电化学系统中并不适用。因此需要通过合理设计催化剂来提高催化剂电催化还原烟道气中二氧化碳的活性。以往的研究表明，锡基催化剂在二氧化碳电还原合成甲酸(或甲酸盐)时具有很高的选择性。北卡罗来纳大学教堂山分校的Thomas J.Meyer教授研究组(Journal of theAmerican Chemical Society,2014,136,1734-1737)在2015年便有过二氧化锡催化剂用于电催化还原二氧化碳制甲酸的报道，在最优条件下，甲酸的法拉第效率为93％，甲酸分电流密度10mA·cm^-2。斯坦福的Kanan等人将Sn⁰和SnO_x共同电沉积在Ti电极上(Journal ofthe American Chemical Society,2012,134,1986-1989)，可以显著增强催化剂电催化还原二氧化碳制甲酸活性，甲酸部分电流密度提高了八倍，法拉第效率提高了4倍。但是目前针对二氧化锡的研究主要集中于纯二氧化碳，并没有关于二氧化锡催化剂直接电还原烟道气的报道。

发明内容

本发明的内容是为了克服上述不足，提供一种用于电催化还原烟道气制甲酸的催化剂及其制备方法；为了实现上述目的，一方面，本发明提供了醇胺分子修饰的锡氧化物催化剂，具有优异的电催化还原烟道气制甲酸活性。

第二方面，本发明提供了醇胺分子修饰的锡氧化物催化剂的制备方法。

本发明的具体技术方案如下：