[发明专利]超薄疏水二氧化硅层包覆金属或金属氧化物纳米催化剂及应用

说明书

本发明涉及一种超薄疏水二氧化硅层包覆金属或金属氧化物纳米催化剂及应用。所述催化剂具有疏水外壳核壳结构，以金属或金属氧化物纳米颗粒为核，以超薄疏水二氧化硅为壳。所述方法包括以下步骤：1)将金属或金属氧化物纳米颗粒超声分散于硅前驱体溶液中；2)将步骤1)中溶液离心得到的粉末进行固化处理，得到M(Msubgt;X/subgt;Osubgt;Y/subgt;)/SiOsubgt;2/subgt;催化剂，其中M是步骤1)中金属或金属氧化物纳米颗粒中的金属元素。所制备的催化剂在酸性条件下电催化还原COsubgt;2/subgt;过程中表现出优良的稳定性和对COsubgt;2/subgt;还原产物的高选择性。本发明目标性地合成了具有疏水外壳核壳结构的M(Msubgt;X/subgt;Osubgt;Y/subgt;)/SiOsubgt;2/subgt;催化剂，方法简单，可大规模制备超薄疏水二氧化硅层包覆的不同金属的单金属、双金属或多金属催化剂。

技术领域

本发明属于催化剂领域，具体涉及一种超薄疏水二氧化硅层包覆金属或金属氧化物纳米催化剂及应用。

背景技术

通过可再生能源产生的电能将二氧化碳转化为具有高附加值的燃料和化学品是目前实现碳中和的重要途经之一。高性能催化剂是实现高效电催化还原二氧化碳的关键，因此，设计开发用于电催化还原二氧化碳的高效催化剂迫在眉睫。

金属或金属氧化物纳米颗粒催化剂，因其纳米级的尺寸，具有高表面积，多活性位点和高催化活性等独特性能被广泛应用于电催化还原二氧化碳的研究，例如Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Mn，In，Sn，Sb，Bi，Au，Ag，Pd，Pb和Ir等金属或金属氧化物。然而，小尺寸的金属或金属氧化物纳米颗粒往往会在反应中由于自身较大的表面能而团聚失活影响催化性能。研究表明，引入配体或表面活性剂修饰金属或金属氧化物纳米颗粒或是将金属或金属氧化物纳米颗粒稳定在载体上可以在不同程度上改善金属或金属氧化物纳米颗粒在催化过程中存在的稳定性和选择性问题。然而，目前研究的大部分金属或金属氧化物纳米颗粒催化剂只适用于中性或碱性电解质，这不可避免会导致反应过程中碳酸盐的形成和低二氧化碳利用效率，这严重阻碍了其大规模商业应用。因此，开发一种在酸性条件下高效电催化还原二氧化碳的催化剂是实现其规模化应用的关键。

二氧化硅是一种高稳定性、无毒性和高表面积的材料，因其独特的性能被广泛应用于各种领域。此外，由于二氧化硅具有的化学惰性和高度稳定性，二氧化硅包覆改性技术常被用以增强材料的稳定性。申请号为201810832749.0的中国专利采用一锅法合成二氧化硅包覆四氧化三铁核壳结构磁性纳米颗粒。以四水氯化亚铁作为铁的前驱体溶液滴加到油包水微乳液中，得到四氧化三铁纳米颗粒微乳液，此时加入硅源，如正硅酸乙酯(TEOS)，然后加入氨水作为水解剂诱导TEOS在四氧化三铁纳米颗粒外表面水解成二氧化硅，制备获得的核壳结构磁性纳米颗粒尺寸均匀，分散性好，不易团聚。申请号为202010009678.1的中国专利公开了一种二氧化硅包覆的钴基费托催化剂的制备方法。通过沉淀法和原子沉积法制备得到钴氧化物颗粒/金属氧化物，然后浸渍于含硅前驱体的溶液中搅拌均匀，将溶液在80-250℃下水热反应10-72小时，最后将产物经干燥、焙烧后即可得到含有二氧化硅壳层的钴基催化剂，制备得到的催化剂具有超高的稳定性，可有效抑制催化剂因烧结、水蒸气氧化引起的失活。然而，在电催化还原二氧化碳过程中，催化剂常伴随着动态自发重构，引起电极表面疏水性降低，而导致性能衰减。特别是，酸性电解质中的二氧化碳电还原反应，金属或金属氧化物与酸发生反应，直接导致催化剂失活。将活性纳米颗粒封装在具有疏水特性的惰性二氧化硅壳层内是一种有效保持其催化性能稳定的策略。然而，由于二氧化硅是一种绝缘材料，但作为催化剂的壳层，需具有稳定超薄的厚度，以保证其催化活性。因此开发一种稳定的超薄疏水二氧化硅壳层的高效制备方法是实现其规模化应用的关键。

发明内容