CN109569285B - 基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂，所述电催化剂的结构为：以氮掺杂的焙烧态水滑石为基体，所述基体上负载有石墨烯。该电催化剂具有层状结构，能有效地催化非均相体系中二氧化碳还原为一氧化碳，且该电催化剂对二氧化碳具有高的选择性、稳定性、催化效率高。本发明还公开了该电催化剂的制备方法及应用。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料电催化剂领域。更具体地，涉及一种基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂及其制备和应用。
背景技术
大气中二氧化碳浓度的升高引起了一系列的环境问题，对人类的生产生活产生了很大的不良影响，利用电能这一清洁能源将二氧化碳转化为可再次利用的能源和工业原料具有很好的应用前景，因而备受科学家的青睐。随着纳米技术的兴起，纳米材料在电催化二氧化碳的领域有着越来越广泛的应用。
然而，现有的电催化还原二氧化碳中使用的催化剂主要为金、铂等贵金属材料，成本高。此外，在非均相的电催化还原过程中，电催化二氧化碳还原为一氧化碳的效率及选择性均较低，只有少量的二氧化碳还原为一氧化碳。除银和金外，绝大多数金属电极都是产氢气。
因此，需要提供一种新的电催化剂，以解决上述存在的问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂，该电催化剂具有层状结构，能有效地催化非均相体系中二氧化碳还原为一氧化碳，且该电催化剂对二氧化碳具有高的选择性、稳定性、催化效率高。
本发明的第二个目的在于提供一种基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，该制备方法简单，且制备成本低。
本发明的第三个目的在于提供基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂在电催化还原非均相体系中二氧化碳的应用。在该应用中，该电催化剂能高效、专一的催化二氧化碳还原为一氧化碳。
为达到上述第一个目的，本发明提供一种基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂，其特征在于，所述电催化剂的结构为：以氮掺杂的焙烧态水滑石为基体，所述基体上负载有石墨烯。
优选地，所述焙烧态水滑石选自镍锌铝水滑石、镍铝水滑石和锌铝水滑石的一种。
本发明中，焙烧态水滑石是指水滑石经过煅烧后得到的仍保留有片层结构的物质。
本发明的电催化剂中，氮掺杂的焙烧态水滑石为片层结构，层状结构的石墨烯负载在该层状结构的氮掺杂的焙烧态水滑石上。
为达到上述第二个目的，本发明提供一种基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，该方法包括如下步骤：
将铝的盐溶液以及镍和/或锌的盐溶液混合，并加入尿素、氧化石墨烯分散液，混合均匀，得混合液；
将所述混合液进行微波消解反应，洗涤干燥后得前驱体，并将该前驱体研磨成粉状；
将上述得到的粉状前驱体在还原气氛下煅烧，得所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂。
优选地，当所述混合液中同时含有铝的盐溶液、镍的盐溶液和锌的盐溶液时，混合液中的镍元素与锌元素的当量比为2:1-1:2，混合液中镍元素和锌元素的总量与铝元素的当量比为3:1-4:1。
优选地，所述混合液中的金属元素的总量与所述尿素的当量比为1:3-1:5。
优选地，所述混合液中的金属元素的总量与所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯的质量比为6:1-8:1。
优选地，本发明通过调节金属盐的种类和比例，得到不同类型的氮掺杂的焙烧态水滑石负载石墨烯电催化剂，实现了催化剂的可控制备，使催化剂电催化活性得到显著提高。
优选地，所述铝的盐溶液中，铝盐包括但不限于选自九水合硝酸铝、硫酸铝。
优选地，所述镍的盐溶液中，镍盐包括但不限于选自六水合硝酸镍、六水合氯化镍、六水合硫酸镍。
优选地，所述锌的盐溶液中，锌盐包括但不限于选自六水合硝酸锌、无水氯化锌、七水合硫酸锌。
优选地，所述氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的片径小于500nm，采用的分散剂为水，所述氧化石墨烯分散液的浓度为1mg/mL。
优选地，所述微波消解反应的条件为：将所述混合液升温至150-180℃，并在此温度下反应25-40min。
优选地，所述微波消解反应的条件为：将所述混合液升温至150-160℃，并在此温度下反应25-30min。
优选地，所述还原气氛为氨气气氛。
优选地，所述煅烧的条件为：以1-4℃/min的速率升温至300-500℃，并在此温度下煅烧1-3h。
优选地，所述煅烧的条件为：以1-3℃/min的速率升温至300-400℃，并在此温度下煅烧2-3h。
为达到上述第二个目的，本发明提供基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂在电催化还原非均相体系中二氧化碳的应用。
该电催化剂能电催化还原非均相体系中二氧化碳为一氧化碳，且催化活性及催化效率高。
优选地，所述应用包括：以所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂为电催化剂，在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内对饱和了二氧化碳气体的氯化钠电解质水溶液进行计时电流分析。
优选地，所述电位范围为-0.83V～-1.03V。
其中，计时电流分析也即恒电位电解。此时，电解产物主要是一氧化碳和氢气，在相对氢标准电极为-0.93V的电位下，一氧化碳的法拉第效率达到88％，当过电位达到0.92V时，一氧化碳的分电流密度大于2.8mA/cm2。
优选地，所述氯化钠电解质水溶液的浓度为0.5M。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂可较好的用于非均相体系电催化还原二氧化碳中，该电催化剂选择性较高，可有效地将二氧化碳催化还原为一氧化碳。
本发明提供的基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法制备成本低，操作简便，易于实施。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的X射线晶体衍射图。
图2示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的透射电镜图(其中，a、b分辨率不同)。
图3示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的高分辨透射电镜图。
图4示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的选区元素分布图。
图5示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的热重分析图。
图6示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂在不同气氛下的线性伏安曲线。
图7示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的恒电位电解产物分布。
图8示出实施例1所得N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的电解产物的分电流密度。
图9示出实施例1、2、3的单位面积的双电层电容对比。
图10示出实施例1、2、3电催化剂的二氧化碳脱附曲线对比。
图11示出实施例1、2、3电催化剂的氢氧根吸附曲线对比。
图12示出实施例1、2、3电催化剂的塔菲尔斜率对比。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
取六水合硝酸镍0.5mmol(0.145g)、六水合硝酸锌0.5mmol(0.149g)、九水合硝酸铝0.25mmol(0.094g)，当量比为2：2：1，溶于10mL水中，常温下搅拌并加入尿素5mmol(0.3g)，继续混合搅拌1h，得到溶液A。取氧化石墨烯分散液10mL与10mL水混合并超声处理1h，得到溶液B。将溶液B加到A中，充分搅拌并平均分配到2个微波消解罐中，微波反应功率设置为400W，温度160℃，反应时间设置为30min。反应结束后，将悬浊液充分离心洗涤干燥后粉碎研磨得到前驱体。将前驱体转移到瓷舟中，置于石英管式炉内在氨气氛围下煅烧，升温速率为2℃/min，升至300℃保持2h后自然降温，氨气流速设置为200mL/min。反应结束后得到所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂(N-NiZnAl-CLDH/RG)。
得到的所述N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的X射线晶体衍射图、透射电镜图和元素分布如图1-4所示。从图1可看出，前驱体为镍锌铝水滑石与石墨烯的复合物，经过氨气煅烧后，水滑石的层状结构受热坍塌，形成如图2中a所示的均匀分布的片层结构，水滑石金属离子八面体结构层间的碳酸根离子受热并以二氧化碳气体分子的形式分解，在催化剂表面形成如图2中b所示的微孔。图3右上角是石墨烯的特征衍射图，可以看出焙烧态水滑石与石墨烯材料有效复合，金属元素镍、锌、铝和非金属元素碳、氮均匀分布在催化剂上，与图4显示的结果一致。
所述前驱体NiZnAl-LDH/RG的热重分析如图5所示。从图5中可知，催化剂在程序升温过程中出现两个失重阶段，对应出现了两个失重速率极大值。在70℃-200℃时，水滑石层间的水分子(游离水、吸附水)和含氧官能团受热脱除，层状结构开始坍塌；温度达到500℃时，水滑石层间的碳酸根离子分解生成二氧化碳分子，离开前驱体，形成焙烧态水滑石。
该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用：
1)催化剂浆料的准备：称取5毫克上述N-NiZnAl-CLDH/RG催化剂粉末，用100μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和400μL异丙醇的混合溶液超声分散1小时，加入100μL 0.5％萘酚表面活性剂，得到催化剂浆料；
2)用上海辰华CHI660型电化学工作站和三电极体系对催化剂进行电催化性能表征。在H型密闭玻璃电解池中，用0.5M氯化钠水溶液作电解质，铂丝电极作对电极，以滴涂了5μL催化剂浆料的电极面积为0.071cm2的玻碳电极作工作电极进行线性伏安曲线分析和在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内进行恒电位电解分析。电解结果如下表1所示。
图6示出了N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂线性伏安曲线。从该图中可知催化剂在-0.8V～-1.2V的电位范围内，二氧化碳下的电流密度明显大于氩气下的电流密度，这说明该催化剂对二氧化碳有着明显的催化活性。
图7示出了N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂的恒电位电解产物分布。由图7可知，在-0.73V～-1.13V的电位范围内，电解产物为氢气和一氧化碳，电解电位为-0.93V时，一氧化碳的法拉第效率达到88％。
图8示出了N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂在不同电位下产物的分电流密度。其中，一氧化碳的分电流密度越大，二氧化碳还原为一氧化碳的电子传输速度越快，说明催化剂的电催化活性越高。当电解电位达到-1.03V时，一氧化碳的分电流密度最大，达到2.83mA·cm-2。
图9示出了N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂与实施例2、3的单位面积的双电层电容对比。材料的比表面积与单位面积的双电层电容值成正比，从图9可知催化剂N-NiZnAl-CLDH/RG的比表面积最大，这一特点增大了催化剂与二氧化碳的接触面积，增加了活性位点的数量，从而有利于增强催化活性。
图10示出了N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂与实施例2、3中得到的催化剂的二氧化碳脱附曲线。从图10可知，催化剂N-NiZnAl-CLDH/RG的脱附峰对应的温度最高，这说明该催化剂对二氧化碳的吸附作用最强，从而有利于二氧化碳在催化剂表面发生作用进而增强催化剂的催化活性。
图11示出了N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂与下述实施例2、3中得到的催化剂的氢氧根的吸附曲线。以往的研究表明，二氧化碳阴离子自由基(CO2 ·-)是二氧化碳还原为一氧化碳过程中的重要中间体，在水相体系中，可用氢氧根离子(OH-)代替CO2 ·-研究其在化学反应动力学中的性质。从图11可知，N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂所对应的OH-吸附峰电位最小，这说明OH-更容易吸附在该催化剂表面，进而说明CO2 ·-更容易在该催化剂表面发生反应，从而有利于二氧化碳的电催化还原反应。
图12示出了N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂与实施例2、3中得到的催化剂的塔菲尔斜率。从图12可知，N-NiZnAl-CLDH/RG电催化剂所对应的塔菲尔斜率最小，表明该催化剂更有利于反应过程中电子的传递，表现出更好的催化活性。
实施例2
基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
取六水合硝酸镍1.0mmol(0.290g)、九水合硝酸铝0.25mmol(0.094g)，当量比为4：1，溶于10mL水中，常温下搅拌并加入尿素5mmol(0.3g)，继续混合搅拌1h，得到溶液A。取氧化石墨烯分散液10mL与10mL水混合并超声处理1h，得到溶液B。将溶液B加到A中，充分搅拌并平均分配到2个微波消解罐中，微波反应功率设置为400W，温度160℃，反应时间设置为30min。反应结束后，将悬浊液充分离心洗涤干燥后粉碎研磨得到前驱体。将前驱体转移到瓷舟中，置于石英管式炉内在氨气氛围下煅烧，升温速率为2℃/min，升至300℃保持2h后自然降温，氨气流速设置为200mL/min。反应结束后得到基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂(N-NiAl-CLDH/RG)。
该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用：
1)催化剂浆料的准备：称取5mg上述N-NiAl-CLDH/RG催化剂粉末，用100μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和400μL异丙醇的混合溶液超声分散1小时，加入100μL 0.5％萘酚表面活性剂，得到催化剂浆料；
2)用上海辰华CHI660型电化学工作站和三电极体系对催化剂进行电催化性能表征。在H型密闭玻璃电解池中，用0.5M氯化钠水溶液作电解质，铂丝电极作对电极，以滴涂了5μL催化剂浆料的电极面积为0.071cm2的玻碳电极作工作电极进行线性伏安曲线分析和在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内进行恒电位电解分析。电解结果如下表1所示。
实施例3
基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
取六水合硝酸锌1mmol(0.298g)、九水合硝酸铝0.25mmol(0.094g)，当量比为4：1，溶于10mL水中，常温下搅拌并加入尿素5mmol(0.3g)，继续混合搅拌1h，得到溶液A。取氧化石墨烯分散液10mL与10mL水混合并超声处理1h，得到溶液B。将溶液B加到A中，充分搅拌并平均分配到2个微波消解罐中，微波反应功率设置为400W，温度160℃，反应时间设置为30min。反应结束后，将悬浊液充分离心洗涤干燥后粉碎研磨得到前驱体。将前驱体转移到瓷舟中，置于石英管式炉内在氨气氛围下煅烧，升温速率为2℃/min，升至300℃保持2h后自然降温，氨气流速设置为200mL/min。反应结束后得到基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂(N-ZnAl-CLDH/RG)。
该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用：
1)催化剂浆料的准备：称取5mg上述N-ZnAl-CLDH/RG催化剂粉末，用100μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和400μL异丙醇的混合溶液超声分散1小时，加入100μL 0.5％萘酚表面活性剂，得到催化剂浆料。
2)用上海辰华CHI660型电化学工作站和三电极体系对催化剂进行电催化性能表征。在H型密闭玻璃电解池中，用0.5M氯化钠水溶液作电解质，铂丝电极作对电极，以滴涂了5μL催化剂浆料的电极面积为0.071cm2的玻碳电极作工作电极进行线性伏安曲线分析和在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内进行恒电位电解分析。电解结果如下表1所示。
实施例4
基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
取六水合硝酸镍0.33mmol(0.096g)、六水合硝酸锌0.67mmol(0.194g)、九水合硝酸铝0.25mmol(0.094g)，当量比为1：2：6，溶于10mL水中，常温下搅拌并加入尿素5mmol(0.3g)，继续混合搅拌1h，得到溶液A。取氧化石墨烯分散液10mL与10mL水混合并超声处理1h，得到溶液B。将溶液B加到A中，充分搅拌并平均分配到2个微波消解罐中，微波反应功率设置为400W，温度160℃，反应时间设置为30min。反应结束后，将悬浊液充分离心洗涤干燥后粉碎研磨得到前驱体。将前驱体转移到瓷舟中，置于石英管式炉内在氨气氛围下煅烧，升温速率为2℃/min，升至300℃保持2h后自然降温，氨气流速设置为200mL/min。反应结束后得到所述催化剂(N-NiZnAl-CLDH/RG②)。
该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用：
1)催化剂浆料的准备：称取5mg上述N-ZnAl-CLDH/RG催化剂粉末，用100μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和400μL异丙醇的混合溶液超声分散1小时，加入100μL 0.5％萘酚表面活性剂，得到催化剂浆料。
2)用上海辰华CHI660型电化学工作站和三电极体系对催化剂进行电催化性能表征。在H型密闭玻璃电解池中，用0.5M氯化钠水溶液作电解质，铂丝电极作对电极，以滴涂了5μL催化剂浆料的电极面积为0.071cm2的玻碳电极作工作电极进行线性伏安曲线分析和在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内进行恒电位电解分析。电解结果如下表1所示。
实施例5
基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
取六水合硝酸镍0.25mmol(0.073g)、六水合硝酸锌0.75mmol(0.224g)、九水合硝酸铝0.25mmol(0.094g)，当量比为1：3：8，溶于10mL水中，常温下搅拌并加入尿素5mmol(0.3g)，继续混合搅拌1h，得到溶液A。取氧化石墨烯分散液10mL与10mL水混合并超声处理1h，得到溶液B。将溶液B加到A中，充分搅拌并平均分配到2个微波消解罐中，微波反应功率设置为400W，温度160℃，反应时间设置为30min。反应结束后，将悬浊液充分离心洗涤干燥后粉碎研磨得到前驱体。将前驱体转移到瓷舟中，置于石英管式炉内在氨气氛围下煅烧，升温速率为2℃/min，升至300℃保持2h后自然降温，氨气流速设置为200mL/min。反应结束后得到所述催化剂(N-NiZnAl-CLDH/RG③)。
该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用：
1)催化剂浆料的准备：称取5mg上述N-ZnAl-CLDH/RG催化剂粉末，用100μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和400μL异丙醇的混合溶液超声分散1小时，加入100μL 0.5％萘酚表面活性剂，得到催化剂浆料。
2)用上海辰华CHI660型电化学工作站和三电极体系对催化剂进行电催化性能表征。在H型密闭玻璃电解池中，用0.5M氯化钠水溶液作电解质，铂丝电极作对电极，以滴涂了5μL催化剂浆料的电极面积为0.071cm2的玻碳电极作工作电极进行线性伏安曲线分析和在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内进行恒电位电解分析。电解结果如下表1所示。
实施例6
基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
取六水合硝酸镍0.67mmol(0.194g)、六水合硝酸锌0.33mmol(0.098g)、九水合硝酸铝0.25mmol(0.094g)，当量比为2：1：6，溶于10mL水中，常温下搅拌并加入尿素5mmol(0.3g)，继续混合搅拌1h，得到溶液A。取氧化石墨烯分散液10mL与10mL水混合并超声处理1h，得到溶液B。将溶液B加到A中，充分搅拌并平均分配到2个微波消解罐中，微波反应功率设置为400W，温度160℃，反应时间设置为30min。反应结束后，将悬浊液充分离心洗涤干燥后粉碎研磨得到前驱体。将前驱体转移到瓷舟中，置于石英管式炉内在氨气氛围下煅烧，升温速率为2℃/min，升至300℃保持2h后自然降温，氨气流速设置为200mL/min。反应结束后得到所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂(N-NiZnAl-CLDH/RG④)。
该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用：
1)催化剂浆料的准备：称取5mg上述N-ZnAl-CLDH/RG催化剂粉末，用100μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和400μL异丙醇的混合溶液超声分散1小时，加入100μL 0.5％萘酚表面活性剂，得到催化剂浆料。
2)用上海辰华CHI660型电化学工作站和三电极体系对催化剂进行电催化性能表征。在H型密闭玻璃电解池中，用0.5M氯化钠水溶液作电解质，铂丝电极作对电极，以滴涂了5μL催化剂浆料的电极面积为0.071cm2的玻碳电极作工作电极进行线性伏安曲线分析和在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内进行恒电位电解分析。电解结果如下表1所示。
实施例7
基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，包括如下步骤：
取六水合硝酸镍0.75mmol(0.218g)、六水合硝酸锌0.25mmol(0.075g)、九水合硝酸铝0.25mmol(0.094g)，当量比为3：1：8，溶于10mL水中，常温下搅拌并加入尿素5mmol(0.3g)，继续混合搅拌1h，得到溶液A。取氧化石墨烯分散液10mL与10mL水混合并超声处理1h，得到溶液B。将溶液B加到A中，充分搅拌并平均分配到2个微波消解罐中，微波反应功率设置为400W，温度160℃，反应时间设置为30min。反应结束后，将悬浊液充分离心洗涤干燥后粉碎研磨得到前驱体。将前驱体转移到瓷舟中，置于石英管式炉内在氨气氛围下煅烧，升温速率为2℃/min，升至300℃保持2h后自然降温，氨气流速设置为200mL/min。反应结束后得到所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂(N-NiZnAl-CLDH/RG⑤)。
该电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用：
1)催化剂浆料的准备：称取5mg上述N-ZnAl-CLDH/RG催化剂粉末，用100μL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和400μL异丙醇的混合溶液超声分散1小时，加入100μL 0.5％萘酚表面活性剂，得到催化剂浆料。
2)用上海辰华CHI660型电化学工作站和三电极体系对催化剂进行电催化性能表征。在H型密闭玻璃电解池中，用0.5M氯化钠水溶液作电解质，铂丝电极作对电极，以滴涂了5μL催化剂浆料的电极面积为0.071cm2的玻碳电极作工作电极进行线性伏安曲线分析和在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内进行恒电位电解分析。电解结果如下表1所示。
表1各实施例所得电催化剂催化还原二氧化碳的结果
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (8)
1.基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂，其特征在于，所述电催化剂的结构为：以氮掺杂的焙烧态水滑石为基体，所述基体上负载有石墨烯且通过如下方法制备获得，该方法包括：
将铝的盐溶液以及镍和锌的盐溶液混合，并加入尿素、氧化石墨烯分散液，混合均匀，得混合液，混合液中的镍元素与锌元素的当量比为2:1-1:2，混合液中镍元素和锌元素的总量与铝元素的当量比为3:1-4:1，金属元素的总量与所述尿素的当量比为1:3-1:5，金属元素的总量与所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯的质量比为6:1-8:1；
将所述混合液进行微波消解反应，洗涤干燥后得前驱体，并将该前驱体研磨成粉状，所述微波消解反应的条件为：将所述混合液升温至150-180℃，并在此温度下反应25-40min；
将上述得到的粉状前驱体在还原气氛下煅烧，得所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂，所述煅烧的条件为：以1-4℃/min的速率升温至300-500℃，并在此温度下煅烧1-3h。
2.根据权利要求1中所述的基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂，其特征在于，所述焙烧态水滑石选自镍锌铝水滑石。
3.如权利要求1-2任一项所述的基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将铝的盐溶液以及镍和锌的盐溶液混合，并加入尿素、氧化石墨烯分散液，混合均匀，得混合液，混合液中的镍元素与锌元素的当量比为2:1-1:2，混合液中镍元素和锌元素的总量与铝元素的当量比为3:1-4:1，金属元素的总量与所述尿素的当量比为1:3-1:5，金属元素的总量与所述氧化石墨烯分散液中的氧化石墨烯的质量比为6:1-8:1；
将所述混合液进行微波消解反应，洗涤干燥后得前驱体，并将该前驱体研磨成粉状，微波消解反应的条件为：将所述混合液升温至150-180℃，并在此温度下反应25-40min；
将上述得到的粉状前驱体在还原气氛下煅烧，得所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂，所述煅烧的条件为：以1-4℃/min的速率升温至300-500℃，并在此温度下煅烧1-3h。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述微波消解反应的条件为：将所述混合液升温至150-160℃，并在此温度下反应25-30min。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述还原气氛为氨气气氛。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的条件为：以1-3℃/min的速率升温至300-400℃，并在此温度下煅烧2-3h。
7.如权利要求1-2任一项所述的基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂在电催化还原非均相体系中二氧化碳的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述应用包括：以所述基于氮掺杂的石墨烯基电催化剂为电催化剂，在相对可逆氢电极为-0.7V～-1.2V电位范围内对饱和了二氧化碳气体的氯化钠电解质水溶液进行计时电流分析。
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