[发明专利]将金属气凝胶催化材料用于制备阴离子膜电解池电催化还原CO2反应的用途

说明书

本发明属于化学催化技术领域，公开了将金属气凝胶催化材料用于制备阴离子膜电解池电催化还原CO₂反应的用途。步骤包括：将新鲜配制的还原剂水溶液，快速加入金属前驱体溶液中，并持续搅拌一分钟，室温下静置反应得到水凝胶，随后冷冻干燥得到金属气凝胶；然后利用金属气凝胶制备阴极气体扩散电极，装配阴离子膜电解池，利用该阴离子膜电解池电催化二氧化碳还原反应，电解池使用阴离子膜将阴阳两极室隔开，阴极流场板为蛇形流场，阳极流场板为网状流场。利用金属气凝胶的阴极气体扩散电极，在阴离子膜电解池表现出优异的催化活性和稳定性，实现～80％的C1产物(HCOOH或CO)法拉第效率，电流密度100mA cm^‑2，具备工业化前景。

技术领域

本发明属于电化学催化技术领域，具体涉及一种金属气凝胶催化材料的制备方法，并将金属气凝胶催化材料用于制备阴离子膜电解池电催化还原CO2反应的用途。

背景技术

随着二氧化碳(CO₂)排放带来的环境问题日益加剧，以及碳中和概念的提出，针对CO₂的治理已经提上了日程。从资源、能源发展战略的角度，以可再生电能或富余核电等洁净电能为能源，在温和的反应条件下，将CO₂一步转化为碳氢化合物和醇类等高附加值燃料及化学品，同时实现CO₂的高效转化和洁净电能的有效存储，将为可再生能源合理利用和CO₂转化耦合提供极大的发展空间，为解决能源和环境资源的可持续发展做出极大的贡献。现有的商用电化学技术为CO₂电催化转化(eCO₂RR)提供了蓝图。

目前电催化CO₂RR技术的工业化，除了政策外的影响因素，电解池的优化设计对于提高eCO₂RR性能及其工业应用具有重要意义。电解池构型及其操作条件在很大程度上决定了电极附近的局部反应环境，从而调变催化性能。催化剂层作为电解池重要构件在电催化CO₂RR过程中发挥着重要的作用。催化剂的组成直接关乎电催化CO₂还原的产物选择性，其中CO引起了较大的关注，因为它是许多热化学、生物和电化学过程中常见的气体前体。CO和H₂(合成气)的混合物可以作为目前实现费托合成或发酵过程的原料。当今最好的系统已经证明，CO的全电池能效约为40％至50％，接近具有成本竞争力的目标。与此同时CO作为气体产物，易于从电解质中析出，高法拉第效率的CO将有利于后期产物的分离和提纯，节约资金消耗，并且串联反应的搭建有望实现将直接放出的CO转化成商品化的产品。在CO之后，甲酸(HCOOH)是目前为止第二种动力学有利的CO₂还原产物，并且HCOOH具有最高的经济价值，平均每摩尔电子的价值约为0.016$/mol e^-，被广泛应用于农药、皮革、医药等工业。

借鉴燃料电池的阴离子交换膜的设计，构建的阴离子膜电解池可以大大降低阴极与阳极之间的电解液的欧姆损耗，提高器件工作效率，有工业化应用的潜能。但电解池运行过程中，催化剂通常会发生中毒、失活、水淹等现象。构建结构和化学性质稳定的催化剂对于电解池的高效、稳定运行非常关键。

发明内容

针对上述技术现状，本发明的目的在于提供一种应用于阴离子膜电解池中电催化还原CO₂的金属气凝胶催化材料的制备方法，其技术路线简单、具有普适性并且拥有优异的电化学还原CO₂的催化活性和选择性，也能推广作为其他电催化反应的催化剂。

本发明所提供的技术方案为：

将金属气凝胶催化材料用于制备阴离子膜电解池电催化还原CO₂反应的用途，包括如下步骤：

(1)金属气凝胶催化材料的制备：