[发明专利]一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO2还原流动池中的应用

说明书

本发明提供了一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO₂还原流动池中的应用，属于电催化CO₂还原技术领域，其中，所述制备方法为通过将薄木片经低温预碳化、高温碳化得到整体碳膜材料，然后通过采用CO₂气体对碳材料进行刻蚀，使其产生碳缺陷，产生的碳缺陷可以直接用作有效的催化活性位点。制得的高缺陷碳膜具有较强的机械稳定性和丰富的碳缺陷活性位点，可直接作为工作电极使用，方便催化剂电极的大规模生产。同时，所述高缺陷碳膜材料能够应用到流动池反应系统进行电催化CO₂还原，仅依靠碳缺陷位点便可以取得CO产物高的法拉第效率和电流密度，且经9h稳定性测试后，CO法拉第效率保持率仍有84.5%，具有长时间运行的能力，稳定性良好。

技术领域

本发明属于电催化CO₂还原技术领域，具体涉及一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO₂还原流动池中的应用。

背景技术

缺陷碳基材料结构中的缺陷位点极大地影响了其理化特性，由于表面电荷状态的改变，中间体的吸附自由能的变化以及带隙的减小，碳缺陷位点不仅可以锚定催化剂位点，并且这些缺陷还可以直接作为活性位点进行催化反应，所以缺陷碳基材料电催化剂引起了人们的广泛关注。

目前多数缺陷碳基催化剂多以炭黑、石墨烯或者其它生物质衍生碳材料作为碳源，制备过程中生产缺陷方式主要有K⁺刻蚀、氮化后通过高温焙烧去除N元素、CO₂气体高温刻蚀等方式为主，制得的缺陷碳基催化剂多以粉末状材料为主。这种粉末状缺陷碳基催化剂不能直接作为电极使用，需要将其与粘结剂一起在乙醇溶液中超声分散，制成料浆，随后将其涂敷于碳纸表面制成工作电极，工艺复杂，不仅增加了生产成本，而且在长时间催化反应过程中催化剂的脱落会导致活性位的损失，很难大规模推广应用。

另外，目前缺陷碳基材料用于电催化CO₂还原基本都在H型反应池进行测试，而H型反应池中的传质会严重限制CO₂还原反应速率。流动池突破了H型反应池的传质限制，使CO₂还原电流密度得到有效提升，但是，目前尚未有将缺陷碳基催化剂应用于流动池中进行电催化CO₂还原的先例。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高缺陷碳膜的简易制备方法，通过两次碳化结合CO₂气体高温刻蚀即得到高缺陷碳膜，制得的高缺陷碳膜具有较强的机械稳定性和丰富的碳缺陷活性位点，可直接作为工作电极使用，方便催化剂电极的大规模生产。

本发明还提供一种所述的高缺陷碳膜在电催化CO₂还原流动池中的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种高缺陷碳膜的简易制备方法，包括以下步骤：

(1)将原生椴木沿着垂直于生长方向切成预定大小的薄片，将切好的薄木片放于马弗炉中，先在空气气氛下进行低温预碳化，然后在Ar气氛中进行高温碳化，碳化后的产物经后处理步骤，得到碳膜CW；

(2)将CW放在刚玉舟，刚玉舟放在气氛管式炉中心，采用高纯Ar进行焙烧，保温过程中气体切换为CO₂气体，其余过程为Ar气氛，得到高缺陷碳膜CW-HD。

优选的，所述步骤(1)中，所述预碳化温度为250-270℃，时间为5.5-6.5h，所述碳化温度为950-1050℃，时间为5.5-6.5h，气体流速为40mL/min，两次碳化的升温速率均为4-5℃/min。

优选的，所述步骤(1)中，后处理步骤包括对碳化后的产物依次用砂纸进行打磨，用水、乙醇超声清洗干净，然后在真空烘箱进行干燥过夜。