CN109881211A - 一种电催化还原co2的电极制备方法 - Google Patents

一种电催化还原co2的电极制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109881211A
CN109881211A CN201910288805.3A CN201910288805A CN109881211A CN 109881211 A CN109881211 A CN 109881211A CN 201910288805 A CN201910288805 A CN 201910288805A CN 109881211 A CN109881211 A CN 109881211A
Authority
CN
China
Prior art keywords
bamboo
electrode
electro
deionized water
precursor material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910288805.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109881211B (zh
Inventor
严乙铭
倪伟
吴琳琳
徐敏
李聪欣
严尉之
臧小刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN201910288805.3A priority Critical patent/CN109881211B/zh
Publication of CN109881211A publication Critical patent/CN109881211A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109881211B publication Critical patent/CN109881211B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Catalysts (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

本发明属于CO2资源化技术领域，公开了一种电催化还原CO2的电极制备方法，用竹子作为基底材料，首先将竹子打磨去皮暴露出木质部；然后去除竹子内部的微生物和吸附的金属离子；其次用NH4F与竹子分散在去离子水溶液中，进行超声清洗，再机械搅拌制取电极前驱材料；最后煅烧电极前驱材料，使其冷却得到F掺杂的竹炭电极。本发明得到F掺杂的竹炭电极，使其有效暴露活性位并且通过改善结构来促进电催化还原CO2过程中相关物质的扩散。

Description

一种电催化还原CO2的电极制备方法
技术领域
本发明属于CO2资源化技术领域，尤其涉及一种电催化还原CO2的电极制备方法。
背景技术
日益增多的人类活动不仅会加快化石燃料的消耗，还会造成大气中以CO2为主的温室气体排放量增加，打破自然界的碳平衡。如何有效的降低大气中CO2浓度的技术已成为各国政府和科学家的重点研究方向。
CO2作为一种经济的、安全的、可持续的碳氧资源化合物，将其转化为液体燃料、化学品的发展潜力巨大。但是由于CO2化学性质非常稳定，需要施加额外的能量才能使其活化、转化。其中利用一些清洁能源电化学还原CO2成一些有附加值的产品是一个有效途径，这即可以缓解全球变暖的问题，又能降低了人类对化石燃料的依赖，从而缓解能源与环境双重压力具有重要的现实意义，对于人类来说，这也是一条可持续发展的路线。
然而，由于CO2比较高的稳定性和复杂的多电子转移动力学，电催化还原CO2需要克服比较大的能垒才能产生一些具有附加值的产品。更重要的是，在电催化还原CO2中往往还有很多的竞争反应，其中溶液析氢(HER)是一个很严重的副反应，这也严重影响着整个反应过程的产物选择性和能量转化效率。其中F掺杂的碳材料可以很好地降低电催化还原CO2的能垒，从而提高反应的活性。但是在高的过电位下依然存在严重的析氢问题，因此，对于F掺杂的碳材料复合催化剂如何调整结构从而获得高催化活性，同时在高电位下具有较高的选择性和能量转化效率是电催化还原CO2还原技术发展的关键。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电催化还原CO2的电极制备方法，得到F掺杂的竹炭电极，使其有效暴露活性位并且通过改善结构来促进电催化还原CO2过程中相关物质的扩散。
本发明的基础方案：一种电催化还原CO2的电极制备方法，用竹子作为基底材料，首先将竹子打磨去皮暴露出木质部；然后去除竹子内部的微生物和吸附的金属离子；其次用NH4F与竹子分散在去离子水溶液中，进行超声清洗，再机械搅拌制取电极前驱材料；最后煅烧电极前驱材料，使其冷却得到F掺杂的竹炭电极。
进一步，所述的去除竹子内部的微生物和吸附的金属离子，包括以下步骤：
(1)将竹子浸泡在质量分数为4-6％的双氧水中，浸泡温度为70-90℃，浸泡时间为0.5-2.5小时；
(2)然后用去离子水浸泡20-40分钟；
(3)再用质量分数为4-6％的稀硫酸和质量分数为4-6％的稀盐酸浸泡，浸泡温度为70-90℃，浸泡时间为0.5-1.5小时；
(4)最后用去离子水清洗至中性。
进一步，所述的用NH4F与竹子分散在离子水溶液中，所用该离子水溶液的含量为10-30ml；所述超声清洗的时间为1-3小时，所述机械搅拌的时间为12-24小时。
进一步，在煅烧电极前驱材料前，将电极前驱材料在30-50℃的真空干燥箱中进行干燥。
进一步，所述的煅烧电极前驱材料过程为：将电极前驱材料放置在管式炉中，通入氮气作为保护气设置其气流速率为60-100ml/min，升温速度设置为2-6℃/min，升温至800-1000℃，煅烧时间为1-3小时。
进一步，所述竹子的高度切割为1-2cm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
采用竹子作为基底材料，根据本制备方法得到一个均匀负载的F掺杂的竹炭电极，使其有效暴露活性位并且通过改善结构来促进电催化还原CO2过程中相关物质的扩散。具体的，F掺杂的竹炭电极的中空结构和丰富的介孔/微孔结构可以有效地提高CO2的吸附和扩散。在-1.0V vs.RHE时，这种F掺杂的竹炭电极对于CO2产物的法拉第转化效率可达到88％，其电流密度可达到33mA·cm-2。
附图说明
图1是F掺杂竹炭电极的形状结构图；
图2是F掺杂竹炭电极的扫描电镜图；
图3是F掺杂竹炭电极的EDS图谱；
图4是F掺杂竹炭电极和F掺石墨电极的XRD图谱；
图5是在Ar和CO2的0.5M KHCO3溶液中F掺杂竹炭电极和F掺石墨电极的电流密度与电压曲线图；
图6是F掺杂竹炭电极和F掺石墨电极的阻抗图谱和波特图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述：
一种电催化还原CO2的电极制备方法，用竹子作为基底材料，为了方便做成电极，将竹子切割成高度为1-2cm的小段，用砂纸进行打磨去皮暴露出木质部。
然后，去除竹子内部的微生物和吸附的金属离子，包括以下步骤：
(1)将竹子浸泡在质量分数为4-6％的双氧水中，浸泡温度为70-90℃，浸泡时间为0.5-2.5小时；在本实施例中，双氧水的质量分数优选为5％，浸泡温度优选为80℃，浸泡时间优选为1小时；
(2)然后用去离子水浸泡20-40分钟；在本实施例中，浸泡时间优选为半小时；
(3)再用质量分数为4-6％的稀硫酸和质量分数为4-6％的稀盐酸浸泡，浸泡温度为70-90℃，浸泡时间为0.5-1.5小时；在本实施例中，稀硫酸和稀盐酸两者的质量分数均为5％，浸泡温度优选为80℃，浸泡时间优选为1小时；
(4)最后用去离子水清洗至中性。
其次，用NH4F与竹子分散在去离子水溶液中，进行超声清洗，再机械搅拌制取电极前驱材料。其中，所用该去离子水溶液的含量为10-30ml，超声清洗的时间为1-3小时，机械搅拌的时间为12-24小时。在本实施例中，去离子水溶液的含量优选为20ml，超声清洗的时间优选为2小时，机械搅拌的时间优选为12小时。
最后，煅烧电极前驱材料，使其冷却得到F掺杂的竹炭电极。
为保证电极前驱材料的煅烧效果，本实施例中，在煅烧电极前驱材料前，将电极前驱材料在30-50℃的真空干燥箱中进行干燥，其中，真空干燥箱的温度优选为40℃。
电极前驱材料干燥后，煅烧电极前驱材料过程为：将电极前驱材料放置在管式炉中，通入氮气作为保护气设置其气流速率为60-100ml/min，升温速度设置为2-6℃/min，升温至800-1000℃，煅烧时间为1-3小时。在本实施例中，氮气的气流速率优选为80ml/min，升温速度优选为3℃/min，升温优选至1000℃，煅烧时间优选为1小时。煅烧完成后，将煅烧后的电极前驱材料快速冷却至室温，将其取出即可，F掺杂的竹炭电极如图1所示。
根据本实施例优选的参数，得到F掺杂的竹炭电极的数据表征与效果验证：
如图2所示，(a)是F掺杂的竹炭电极的切面图，(b)为(a)中的局部放大图，在(b)中可清晰地观察到F掺杂的竹炭电极具有优良的长程有序的孔道，有利于电解液在电极中的扩散和传输。(c)为斜切图，(d)为(c)中的局部放大图，在(d)中可以看到F掺杂的竹炭电极的内壁上具有丰富的微孔，这些丰富的微孔也给CO2的吸附提供了位点。
如图3所示，通过对F掺杂的竹炭电极进行能谱分析，发现F元素均匀地分别在F掺杂的竹炭电极上。
如图4所示，2θ＝22.8°对应着石墨碳的(002)峰，证明F掺杂的竹炭电极成功被碳化，并具有石墨碳构型。
如图5所示，在Ar和CO2的0.5M KHCO3溶液中，根据F掺杂竹炭电极和F掺石墨电极的电流密度与电压曲线，可以清晰地看到F掺杂的竹炭电极可以有效的改变电催化还原的活性，并且在高的过电位下依然有不错的性能。这也是归因于F掺杂的竹炭电极内部的长程有序的孔道，其极大地有利于CO2在F掺杂的竹炭电极内部的扩散与还原过程中相关物种的传输。
如图6所示，(a)是F掺杂竹炭电极和F掺石墨电极的阻抗图谱，(b)是F掺杂竹炭电极和F掺石墨电极的波特图。通过阻抗图谱中我们可以看到F掺杂的竹炭电极具有比较好的物质扩散，并且在波特图中可以看出F掺杂的竹炭催化剂物质传输的时间更短。
本发明采用竹子作为基底材料，根据本制备方法得到一个均匀负载的F掺杂的竹炭电极，使其有效暴露活性位并且通过改善结构来促进电催化还原CO2过程中相关物质的扩散。具体的，F掺杂的竹炭电极的中空结构和丰富的介孔/微孔结构可以有效地提高CO2的吸附和扩散。在-1.0V vs.RHE时，这种F掺杂的竹炭电极对于CO2产物的法拉第转化效率可达到88％，其电流密度可达到33mA·cm-2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电催化还原CO2的电极制备方法，其特征在于，用竹子作为基底材料，首先将竹子打磨去皮暴露出木质部；然后去除竹子内部的微生物和吸附的金属离子；其次用NH4F与竹子分散在去离子水溶液中，进行超声清洗，再机械搅拌制取电极前驱材料；最后煅烧电极前驱材料，使其冷却得到F掺杂的竹炭电极。
2.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的电极制备方法，其特征在于，所述的去除竹子内部的微生物和吸附的金属离子，包括以下步骤：
(1)将竹子浸泡在质量分数为4-6％的双氧水中，浸泡温度为70-90℃，浸泡时间为0.5-2.5小时；
(2)然后用去离子水浸泡20-40分钟；
(3)再用质量分数为4-6％的稀硫酸和质量分数为4-6％的稀盐酸浸泡，浸泡温度为70-90℃，浸泡时间为0.5-1.5小时；
(4)最后用去离子水清洗至中性。
3.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的电极制备方法，其特征在于，所述的用NH4F与竹子分散在离子水溶液中，所用该离子水溶液的含量为10-30ml；所述超声清洗的时间为1-3小时，所述机械搅拌的时间为12-24小时。
4.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的电极制备方法，其特征在于，在煅烧电极前驱材料前，将电极前驱材料在30-50℃的真空干燥箱中进行干燥。
5.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的电极制备方法，其特征在于，所述的煅烧电极前驱材料过程为：将电极前驱材料放置在管式炉中，通入氮气作为保护气设置其气流速率为60-100ml/min，升温速度设置为2-6℃/min，升温至800-1000℃，煅烧时间为1-3小时。
6.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的电极制备方法，其特征在于，所述竹子的高度切割为1-2cm。
CN201910288805.3A 2019-04-11 2019-04-11 一种电催化还原co2的电极制备方法 Expired - Fee Related CN109881211B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910288805.3A CN109881211B (zh) 2019-04-11 2019-04-11 一种电催化还原co2的电极制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910288805.3A CN109881211B (zh) 2019-04-11 2019-04-11 一种电催化还原co2的电极制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109881211A true CN109881211A (zh) 2019-06-14
CN109881211B CN109881211B (zh) 2020-07-31

Family

ID=66936872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910288805.3A Expired - Fee Related CN109881211B (zh) 2019-04-11 2019-04-11 一种电催化还原co2的电极制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109881211B (zh)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005246181A (ja) * 2004-03-02 2005-09-15 Japan Science & Technology Agency Ｔｉ−Ｃ系材料、その製造方法、光触媒、電気化学光電池
CN101225530A (zh) * 2007-10-26 2008-07-23 湖南大学 低灰炭质原料在制造预焙阳极中的应用
CN101805046A (zh) * 2010-03-10 2010-08-18 肖志邦 碱性还原水无隔膜电解装置
CN102001654A (zh) * 2010-09-27 2011-04-06 浙江农林大学 用竹粉制作电极炭的方法
CN107837821A (zh) * 2016-09-19 2018-03-27 中国科学院大连化学物理研究所 一种二氧化碳电还原用电极及其制备和应用
CN108258225A (zh) * 2018-01-23 2018-07-06 福州大学 一种用于锂离子电池的碳/金属硫化物/碳三维多孔阵列复合电极材料的制备方法
CN109382106A (zh) * 2017-08-03 2019-02-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种电还原二氧化碳催化材料及其制备和应用

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005246181A (ja) * 2004-03-02 2005-09-15 Japan Science & Technology Agency Ｔｉ−Ｃ系材料、その製造方法、光触媒、電気化学光電池
CN101225530A (zh) * 2007-10-26 2008-07-23 湖南大学 低灰炭质原料在制造预焙阳极中的应用
CN101805046A (zh) * 2010-03-10 2010-08-18 肖志邦 碱性还原水无隔膜电解装置
CN102001654A (zh) * 2010-09-27 2011-04-06 浙江农林大学 用竹粉制作电极炭的方法
CN107837821A (zh) * 2016-09-19 2018-03-27 中国科学院大连化学物理研究所 一种二氧化碳电还原用电极及其制备和应用
CN109382106A (zh) * 2017-08-03 2019-02-26 中国科学院大连化学物理研究所 一种电还原二氧化碳催化材料及其制备和应用
CN108258225A (zh) * 2018-01-23 2018-07-06 福州大学 一种用于锂离子电池的碳/金属硫化物/碳三维多孔阵列复合电极材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109881211B (zh) 2020-07-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104399508B (zh) 一种具有电催化氧还原活性的氮硫共掺杂碳材料及其制备方法
CN109037704A (zh) 一种氮掺杂3d多孔碳材料及其制备方法与应用
CN106587055A (zh) 一种生物质基多孔碳材料及制法与在超级电容器中的应用
CN106955691A (zh) 一种碳‑氮基单原子铁催化剂及其制备方法
CN107658474A (zh) 一种氮硫共掺杂多孔碳微球及制备方法、用途和氧还原电极
CN105597791A (zh) 一种硒化钼/多孔碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用
CN105800600A (zh) 利用果皮制备氮自掺杂三维石墨烯的方法
CN103441246B (zh) 三维氮掺杂的石墨烯基二氧化锡复合材料的制备方法及其应用
CN112495408B (zh) 一种电催化析氢纳米材料的制备方法
CN103985884A (zh) 一种氮掺杂碳纳米材料、其制备方法及应用
CN109019602A (zh) 碳化钼材料、碳化钼@硫化钼复合材料及制备方法与应用
CN108682815A (zh) 一种高效硬碳材料及其制备方法和应用
CN109336106A (zh) 一种豆渣基氮硼共掺杂多孔碳材料的制备方法
CN106876729A (zh) 有序介孔碳生长碳纳米管催化剂的制备及催化剂和应用
CN110556546B (zh) 一种氮、氧共掺杂分级多孔碳材料及其制备方法
CN110067003A (zh) 金属单原子掺杂石墨烯材料及其制备方法与应用
CN110526227A (zh) 一种碳材料及其制备方法和应用
CN110639576A (zh) 碳化细菌纤维素/氮化碳复合材料及其制备方法
CN107651687A (zh) 一种富含吡啶氮元素的炭材料的制备方法及其应用
CN105413731A (zh) 一种掺杂碳纳米催化剂及其制备方法和应用
CN110504456A (zh) 一种基于氮氧掺杂球/片多孔碳材料的氧还原电极及其制备方法和应用
Jiang et al. Fungi-derived, functionalized, and wettability-improved porous carbon materials: an excellent electrocatalyst toward VO2+/VO2+ redox reaction for vanadium redox flow battery
CN108172841B (zh) 一种应用于微生物燃料电池改性石墨毡电极及其制备方法
CN109888319A (zh) 一种马勃生物质碳基氧还原催化剂及其制备方法和应用
CN109967114A (zh) 柚子皮基氮硫共掺杂碳材料及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200731

Termination date: 20210411