[发明专利]一种强酸性条件下高效电还原二氧化碳的催化剂的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明公开了一种强酸性条件下高效电还原二氧化碳的催化剂的制备方法，所述制备方法包括：(1)将导电碳材料与富含氮材料混合后，置于惰性气氛下第一次高温碳化，得到碳氮化合物载体；(2)将碳氮化合物载体与金属盐置于有机溶剂中分散后干燥收集产物，置于惰性气氛下第二次高温碳化，得到催化剂材料的前躯体；(3)将催化剂材料的前躯体置于惰性气氛下第三次高温碳化，得到电还原二氧化碳的催化剂。本发明还公开了通过上述制备方法得到的催化剂及其在酸性电解质条件下电还原二氧化碳上的应用。本发明提供的催化剂能有效地提升催化材料在酸性电解质下的工作电流，从而可以应用在酸性电解液条件下电还原二氧化碳。

技术领域

本发明属于电化学催化领域，特别涉及一种强酸性条件下高效电还原二氧化碳的催化剂的制备方法及其产品和应用。

背景技术

近年来，传统化石燃料的大量消耗导致大气中二氧化碳含量不断升高。通过可再生能源将二氧化碳转化成化学品和燃料是有效途径之一，越来越多的研究者把注意力放在二氧化碳电化学还原上，以解决“温室效应“带来的环境问题。一氧化碳作为上述二氧化碳还原的产物之一，在常压下是气体，更易从电解液中分离出来，因其高能效和高选择性而被认为是最具工业化前景的产品之一。

在二氧化碳电还原过程中，溶液通常为碱性或中性以提高二氧化碳的溶解度。如公开号为CN113122874A的中国专利公开了一种硫化镉催化剂在催化二氧化碳电还原中的应用，在进行二氧化碳电还原时采用KOH溶液；如公开号为CN111686780A的中国专利公开了一种二氧化碳电还原用金属-氮-碳催化剂，在进行二氧化碳电还原时采用KHCO₃溶液。但是这会在电解池中形成强碱性或者局部强碱性环境，导致二氧化碳与氢氧根反应形成碳酸盐，碳酸根离子可以透过阴离子交换膜，导致交叉污染，也拖累了反应效率和原料利用率。研究表明，在碱性条件下电还原二氧化碳时有超过50％的能量被用于回收形成碳酸盐的二氧化碳。

相比之下，如果能够在酸性条件下进行二氧化碳的电化学还原，则可抑制二氧化碳转化为碳酸盐，也有利于物质的分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强酸性条件下高效电还原二氧化碳的催化剂的制备方法，制备得到的催化剂能有效地提升催化材料在酸性电解质下的工作电流，从而可以应用在酸性电解液条件下电还原二氧化碳。

本发明提供如下技术方案：

一种强酸性条件下高效电还原二氧化碳的催化剂的制备方法，所述制备方法包括：

(1)将导电碳材料与富含氮材料混合后，置于惰性气氛下第一次高温碳化，得到碳氮化合物载体；

(2)将碳氮化合物载体与金属盐置于有机溶剂中分散后干燥收集产物，置于惰性气氛下第二次高温碳化，得到催化剂材料的前躯体；

(3)将催化剂材料的前躯体置于惰性气氛下第三次高温碳化，得到电还原二氧化碳的催化剂。

本发明使用多步高温煅烧的方法，利用过渡金属代替贵金属，控制其与掺氮载体分步键合，增加了反应位点数量，同时有效地增大了催化剂材料的比表面积，提高了其对二氧化碳的吸附能力，显著地提升了工作电流。并且通过多步高温煅烧构建了独特的金属配位环境，是酸性电解液催化条件下的二氧化碳电还原活性位点，煅烧形成的丰富介孔提升了反应的局部pH，使催化剂在酸性条件下仍有较高活性。本发明采用的过渡金属作为反应位点有效降低了催化剂合成成本，在酸性电解池中进行大电流电解更高效地利用二氧化碳资源，解决了碳酸盐沉积等问题，为工业化二氧化碳电还原发展提供新策略。

所述第一次高温碳化和第二次高温碳化的温度为500-1100℃，第二次高温碳化的温度为100-450℃。