[发明专利]一种竹木基气体扩散催化电极及其应用

说明书

本发明公开了一种竹木基气体扩散催化电极及其应用，所述催化电极中包括竹木基生物质、金属催化活性成分和疏水成分，其中，所述催化电极的金属的负载量为0.1％～5％，金属的尺寸为0.1～100nm；所述电极的材料主体源于竹木生物质，并将其进行表面功能化处理使其疏水。该气体扩散催化电极在电催化二氧化碳还原的反应中，能利用竹子所具有多孔通道结构进行二氧化碳气体的充分传质，从而破除二氧化碳在水中溶解度低、传质慢的限制，还能基于限域孔道富集反应中间产物。

技术领域

本发明涉及催化领域。更具体地，涉及一种应用于二氧化碳电解的竹木基气体扩散催化电极及其在二氧化碳电解中的应用。

背景技术

利用谷电或废电驱动二氧化碳电解，实现温室气体二氧化碳的资源化转化，二氧化碳资源化转化产物可以是一氧化碳和各种含碳有机物，可以作为人们的生活品和工业生产原料。

通过在水溶液中曝入二氧化碳，溶解态二氧化碳在催化电极表面可发生电化学还原反应，由于二氧化碳在水中的溶解度极低(常温常压下33 mmol/L)，传质也受限，常规水相二氧化碳电解电流难以突破50mA/cm²，距离实际应用的要求有很大距离(Acc.Chem.Res.2018,51,910-918)。因此需要发展传质快速，可以局域富集CO₂和反应中间体的催化电极来提高电解电流。

基于石墨化碳纤维构建的气体扩散层可以实现催化电极表面利用气态供给的CO₂进行大电流二氧化碳电解(Science 2018,360,783；Energy Environ. Sci.2019,12,640-647；Science 2019,365,367；Nat.Energy 2020,5,684-692)。但高度晶化的石墨化碳纤维的价格居高不下，且在大电流电解条件下难以维系疏水性。因此，需要发展更廉价且稳定的气体扩散催化电极。

生物质在电催化二氧化碳领域中的传统利用方式是将生物质碳化为导电炭材料(例如活性炭颗粒)后，再负载催化活性组分，最后将负载了催化活性组分的导电炭材料负载在大尺度基底上，才能作为催化电极(Nat.Commun. 2019,10,4585)。这类传统的生物质利用方式只涉及碳元素的回收利用，而不能实现对生物质原生结构的利用，还会增大电极阻抗、增加粘结剂等昂贵试剂的使用成本。然而，生物质材料，尤其是竹木类生物质，具有非常发达且丰富的原生孔道结构，包括纵向贯通的大孔和横向不贯通的微孔，对于电催化二氧化碳这种需要控制不同物种的扩散速率和覆盖面的应用而言，具有天然的优势；且由大孔、介孔带来的大比表面积可以直接负载催化活性组分，实现一体化电极的制备，减小电极阻抗、不需使用粘结剂。因此，可发展合适的制备方法以充分利用其传质通道，直接获得基于生物质的气体扩散催化电极。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种竹木基气体扩散催化电极及其应用。

本发明通过以下技术方案来实现：一种竹木基气体扩散催化电极，所述催化电极中包括竹木基生物质、金属催化活性成分和疏水成分，其中，所述催化电极的金属的负载量为0.1％～5％，金属的尺寸为0.1～100nm；所述催化电极的制备方法如下：

步骤一：将金属盐溶于水，将竹木材料充分浸入，取出后置于353～423K 的范围内进行低温加热去除水，得竹木前驱体；

步骤二：将步骤一中所制备的竹木前驱体在氨气气氛下进行加热反应，得竹木基生物质材料；

步骤三：将步骤二所制得的竹木基生物质材料进行疏水化处理，得竹木基气体扩散催化电极。

较佳的，步骤二中，所述加热反应的条件为：以2～10K/min的速率升温至523～673K之间，恒温反应10min～12h，再继续升温至873～1373K，并恒温10min～2h，再降温至室温。

较佳的，步骤二中，降温反应的条件为：以2～10K/min的速率降温至 573K，再自然冷却，降温至室温。