CN112176359B

CN112176359B - 一种双金属气体扩散电极及其制备方法和应用

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Publication number: CN112176359B
Application number: CN201910593133.7A
Authority: CN
Inventors: 毛松柏; 傅杰; 李海涛; 黎梓浩; 黄汉根; 吕秀阳; 汪东; 陈曦; 郭本帅
Original assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Research Institute of Sinopec Nanjing Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Chemical Corp; Research Institute of Sinopec Nanjing Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: CN112176359A

Abstract

本发明涉及一种气体扩散电极及其制备方法以及在二氧化碳电化学还原制备一氧化碳中的应用。气体扩散电极包括气体扩散电极本体，以及负载在气体扩散电极本体上的二氧化碳电化学还原催化剂；所述二氧化碳电化学还原催化剂为多壁碳纳米管担载金基双金属，所述金基双金属由银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属构成。该气体扩散电极能够提高其在二氧化碳电化学还原中产物一氧化碳的法拉第效率，而且还能够有效抑制析氢反应。

Description

一种双金属气体扩散电极及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及电化学催化领域，具体涉及一种气体扩散电极及其制备方法以及在二氧化碳电化学还原制备一氧化碳中的应用。

背景技术

二氧化碳电化学还原是二氧化碳资源化利用技术的一个重要方向，该技术能够将二氧化碳转化为气态的一氧化碳、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷以及液态的甲酸、甲醇、甲醛、乙酸、乙醇、乙醛、乙二醇、草酸等物质，在减缓二氧化碳所带来的温室效应的同时产生具有经济价值的化学品，具有环境和经济的双重效益，近年来受到广泛关注。

二氧化碳是碳的最高氧化阶段的产物，从化学变化的角度看，它处于稳定的状态，近乎于“惰性气体”，因而还原二氧化碳比较难。另外，二氧化碳电化学还原的第一步是CO₂+e^-→CO₂ ^-，其标准电势为-1.9V vs. SHE，过电势较高，成为了二氧化碳电化学还原中的速控步骤。而催化剂的引入，可以有效地稳定其中间产物，提高反应电势，降低过电势。

目前电化学还原二氧化碳能量利用率低、产物选择性差、催化剂易失活是限制其应用的主要因素，而解决这一问题的关键是开发具有专一选择性和高效催化活性的电极材料。

研究比较广泛的二氧化碳电化学还原材料是铜、金、银、钯、钴、镍、锡、锌等金属及其复合物。不同的催化剂上还原产物的种类、法拉第效率、电流效率是不同的。例如金还原的主要产物是一氧化碳，锡还原的主要产物是甲酸。相对于其他材料，金催化二氧化碳转化为一氧化碳具有较高的法拉第效率。因而成为近年来二氧化碳电化学还原的研究重点。

金催化剂的晶型结构、纳米尺寸、形貌等对二氧化碳电化学还原的催化活性具有非常大的影响。美国德克萨斯大学奥斯丁分校的Trindell等人[J. Am. Chem. Soc.,2017, 139, 16161-16167.]的研究表明，经柠檬酸盐稳定的金纳米颗粒和封装在第六代羟基封端的聚酰胺基胺树枝状大分子中的金纳米颗粒，在-0.8V vs. RHE下进行电解反应仅15min，颗粒直径从约2nm增大到6~7nm，而使用更高代的第八代羟基封端的同系物封装的金纳米颗粒，尺寸没有发生明显变化，其对二氧化碳电化学还原的催化活性始终保持在较高的水平。此外，由于金的不同形貌，如金团簇、纳米金星、纳米金三角等，不但可以影响二氧化碳电化学还原反应的效率，还可以影响反应的还原产物。

中国专利CN107964669A提供了一种硼氮共掺杂金刚石电极，包括基体，设于所述基体表面的硼氮共掺杂金刚石层，所述硼氮共掺杂金刚石层包括设置于所述基体表面的平整结构层和设置于所述平整结构层表面的阵列凸起结构。该发明提供的硼氮共掺杂金刚石电极，通过将硼氮共掺杂金刚石层的表层设置为阵列凸起结构，增加了硼氮共掺杂金刚石层的比表面积和活性位点，从而提升了电极电催化还原CO₂的能力，最终减少了CO₂在大气中积累，实现了废物资源化利用，具有很强的实用性。

目前二氧化碳电化学还原的产物主要为一氧化碳、甲酸、甲醇等，高效率地、高选择性地将二氧化碳转化为一氧化碳的催化材料仍十分稀少。因此，开发一种能够提高一氧化碳的法拉第效率的二氧化碳电化学还原材料是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气体扩散电极，通过在本体上负载多壁碳纳米管担载金基双金属，提高其在二氧化碳电化学还原中产物一氧化碳的法拉第效率和产率，而且还能够有效抑制氢气的生成。

本发明所提供的技术方案为：

一种气体扩散电极，包括气体扩散电极本体，以及负载在气体扩散电极本体上的二氧化碳电化学还原催化剂；

所述二氧化碳电化学还原催化剂为多壁碳纳米管担载金基双金属，所述金基双金属由银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属构成。

本发明中气体扩散电极本体上负载有二氧化碳电化学还原催化剂，而二氧化碳电化学还原催化剂包括多壁碳纳米管以及银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属，形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构，显著增大了催化剂对二氧化碳还原的电化学还原催化活性，提高产物一氧化碳的法拉第效率，有效抑制析氢反应。

此外，气体扩散电极还可将生成的副产物氢气等顺利排出至工作电极之外，增大二氧化碳与催化剂的接触面积，提高法拉第效率和电流效率。

本发明中所述气体扩散电极本体选自碳纸、碳布或碳毡。作为改进，所述气体扩散电极本体上可以采用多孔碳、碳纳米管、碳纳米纤维材料、石墨烯中的一种或几种进行修饰改性。

本发明中所述气体扩散电极本体的尺寸为0.5cm×0.5cm~2.0cm×2.0cm。

本发明中所述二氧化碳电化学还原催化剂的负载量为0.5~10mg/cm²。

本发明中所述二氧化碳电化学还原催化剂的制备方法包括：将硼氢化钠配成水溶液作为还原剂，将二水合柠檬酸三钠配成水溶液作为稳定剂，将四水合氯金酸配成水溶液作为金的前驱体，将硝酸银、乙酰丙酮铜、四水合醋酸镍、五水合硝酸铋、二水合乙酸锌、醋酸亚铁、氯化铟、乙酰丙酮钴等配成水溶液为第二种金属元素银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴的前驱体，将金属前驱体溶液、柠檬酸三钠溶液、硼氢化钠溶液以及超声分散后的多壁碳纳米管逐一加入到圆底烧瓶中，在水浴中均匀搅拌。

作为优选，所述二氧化碳电化学还原催化剂的制备方法包括：将氯金酸溶液、硝酸银溶液、硼氢化钠溶液、柠檬酸三钠溶液和酸洗、超声剥离后的多壁碳纳米管逐一加入到圆底烧瓶中，在水浴中均匀搅拌，得到多壁碳纳米管担载的金银双金属催化剂。该方法通过液相还原反应合成，形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构，显著增大了催化剂对二氧化碳还原的电化学还原催化活性。

本发明中所述硼氢化钠溶液的浓度为0.01%~1%，柠檬酸三钠溶液的浓度为0.1%~10%，金属前驱体溶液的浓度为0.01%~10%。

本发明中所述液相还原反应的反应温度为0~50℃，反应时间为0.5~5h，搅拌速率为100~1000rpm。

本发明提供一种如上述的气体扩散电极的制备方法，包括如下步骤：

1）将二氧化碳电化学还原催化剂分散到异丙醇和去离子水的混合液中，并加入Nafion溶液，得到混合溶液；

2）将混合溶液涂覆到气体扩散电极本体上，烘干后得到负载有二氧化碳电化学还原催化剂的气体扩散电极。

本发明中所述二氧化碳电化学还原催化剂在异丙醇和去离子水的混合液中的浓度为1~100g/L。

本发明中所述异丙醇和去离子水的体积比例为1:10~10:1；所述Nafion溶液与混合液的体积比例为1:1000~1:100。

本发明中所述Nafion溶液的浓度为0.5~5wt%。

本发明还提供一种上述的气体扩散电极在二氧化碳电化学还原制备一氧化碳中的应用。

作为优选，所述气体扩散电极在二氧化碳电化学还原制备合成气中的应用，包括：采用H型双电化学池反应器，H型双电化学池反应器中间以质子交换膜隔离为阴极室和阳极室，H型双电化学池反应器密封；反应前阴极室通入二氧化碳气体；采用三电极体系，以负载有二氧化碳电化学还原催化剂的气体扩散电极为工作电极，铂电极为辅助电极，银/氯化银电极为参比电极，工作电极与辅助电极相对，参比电极靠近工作电极，反应溶液为碳酸氢钾水溶液，施加工作电压；工作电极所在的阴极室进行磁力搅拌，反应室温下进行。

作为优选，所述反应时间为600~7200秒，收集气相产物通过气相色谱进行分析，液相产物通过核磁共振氢谱进行分析。

作为优选，所述H型双电化学池反应器的单室容积为10~100mL。

作为优选，所述二氧化碳气体为高纯二氧化碳气体，纯度可以选用99.999%，通入时长为10~60分钟，通入流量为10~50sccm。

作为优选，所述铂电极包括铂片电极、铂网电极、铂棒电极、铂条电极或铂丝电极。

作为优选，所述碳酸氢钾水溶液浓度为0.1~1mol/L，体积为5~100mL。

作为优选，所述工作电压为0~-1.5V vs. RHE（Reversible Hydrogen Electrode，可逆氢电极）。

作为优选，所述磁力搅拌速率为100~1000rpm。

同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

（1）本发明中气体扩散电极本体上负载有二氧化碳电化学还原催化剂，而二氧化碳电化学还原催化剂包括多壁碳纳米管以及银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属，形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构，显著增大了催化剂对二氧化碳还原的电化学还原催化活性，提高产物一氧化碳的法拉第效率，并且有效抑制析氢反应；

（2）本发明中气体扩散电极还可将生成的副产物氢气等顺利排出至工作电极之外，增大二氧化碳与催化剂的接触面积，提高法拉第效率和电流效率；

（3）本发明中将气体扩散电极应用到二氧化碳电化学还原中，极大地降低了水溶液中二氧化碳电化学还原时电极催化剂的失活效应，同时高选择性地将二氧化碳还原转化为一氧化碳，电流效率高。

附图说明

图1为本发明实施例9~14制备得到的催化剂的X射线衍射图。

图2为本发明实施例16制备得到的气体扩散电极的线性扫描伏安图。

图3为本发明应用例1～11中获得的气相产物一氧化碳的法拉第效率。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图对本发明作进一步详细地说明。

实施例1：催化剂制备

配制浓度为0.075%的硼氢化钠溶液、浓度为1%的柠檬酸三钠溶液、浓度为10%的氯金酸溶液以及浓度为10%的硝酸银溶液，将100mg多壁碳纳米管置于含有50mL去离子水的烧杯中并超声分散30min，量取150mL去离子水加入到500mL圆底烧瓶中，加入1mL氯金酸溶液和1mL硝酸银溶液，逐滴加入2mL柠檬酸三钠溶液和2mL硼氢化钠溶液，最后加入超声分散后的多壁碳纳米管，在冰水浴中均匀搅拌2h，搅拌速率为500rpm，经离心、洗涤、真空干燥后得到多壁碳纳米管担载的金银双金属催化剂，即为二氧化碳电化学还原催化剂，称为AuAg/CNTs催化剂。

实施例2：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，仅改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮铜溶液，可以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂，称为AuCu/CNTs催化剂。

实施例3：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，仅改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的氯化镍溶液，可以得到多壁碳纳米管担载的金镍双金属催化剂，称为AuNi/CNTs催化剂。

实施例4：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，仅改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的硝酸铋溶液，可以得到多壁碳纳米管担载的金铋双金属催化剂，称为AuBi/CNTs催化剂。

实施例5：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，仅改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酸锌溶液，可以得到多壁碳纳米管担载的金锌双金属催化剂，称为AuZn/CNTs催化剂。

实施例6：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，仅改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的醋酸亚铁溶液，可以得到多壁碳纳米管担载的金铁双金属催化剂，称为AuFe/CNTs催化剂。

实施例7：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，仅改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的氯化铟溶液，可以得到多壁碳纳米管担载的金铟双金属催化剂，称为AuIn/CNTs催化剂。

实施例8：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，仅改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮钴溶液，可以得到多壁碳纳米管担载的金钴双金属催化剂，称为AuCo/CNTs催化剂。

实施例9：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮铜溶液；其次，改变氯金酸溶液的浓度为1%，加入量为2mL，同样可以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂，称为AuCu/CNTs-0.2催化剂。针对实施例9中的AuCu/CNTs-0.2催化剂进行X射线衍射表征，如图1所示，可知催化剂包括多壁碳纳米管以及金和铜两种金属单质。

实施例10：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮铜溶液；其次，改变氯金酸溶液的浓度为1%，加入量为1.5mL，同样可以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂，称为AuCu/CNTs-0.15催化剂。针对实施例10中的AuCu/CNTs-0.15催化剂进行X射线衍射表征，如图1所示，可知催化剂包括多壁碳纳米管以及金和铜两种金属单质。

实施例11：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮铜溶液；其次，改变氯金酸溶液的浓度为1%，加入量为1mL，同样可以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂，称为AuCu/CNTs-0.1催化剂。针对实施例10中的AuCu/CNTs-0.1催化剂进行X射线衍射表征，如图1所示，可知催化剂包括多壁碳纳米管以及金和铜两种金属单质。

实施例12：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮铜溶液；其次，改变氯金酸溶液的浓度为1%，加入量为0.5mL，同样可以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂，称为AuCu/CNTs-0.05催化剂。针对实施例10中的AuCu/CNTs-0.05催化剂进行X射线衍射表征，如图1所示，可知催化剂包括多壁碳纳米管以及金和铜两种金属单质。

实施例13：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮铜溶液；其次，改变氯金酸溶液的浓度为0.5%，加入量为0.75mL，同样可以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂，称为AuCu/CNTs-0.0375催化剂。针对实施例10中的AuCu/CNTs-0.0375催化剂进行X射线衍射表征，如图1所示，可知催化剂包括多壁碳纳米管以及金和铜两种金属单质。

实施例14：催化剂制备

具体制备过程如实施例1所示，改变第二种金属的前驱体溶液的种类，加入1mL浓度为10%的乙酰丙酮铜溶液；其次，改变氯金酸溶液的浓度为0.5%，加入量为0.5mL，同样可以得到多壁碳纳米管担载的金铜双金属催化剂，称为AuCu/CNTs-0.025催化剂。针对实施例10中的AuCu/CNTs-0.025催化剂进行X射线衍射表征，如图1所示，可知催化剂包括多壁碳纳米管以及金和铜两种金属单质。

实施例15：气体扩散电极制备

将10mg实施例1中合成的多壁碳纳米管担载的金银双金属催化剂分散到1000μL的异丙醇和去离子水（体积比例为1:3）混合液中，加入10μL质量分数为5%的Nafion溶液，在搅拌下得到混合溶液。

每次用微量移液枪取20μL上述混合溶液涂抹至气体扩散电极本体（1cm×1cm的上海河森电气有限公司生产的HCP120碳纸）上，用红外灯照射烘干，如此往复5次，得到负载有二氧化碳电化学还原催化剂的气体扩散电极，二氧化碳电化学还原催化剂的负载量为1mg/cm²。

实施例16~32：气体扩散电极制备

具体制备过程如实施例15所示，具体改变的制备条件如下表1所示。

表1为实施例12~26的制备条件比较

实施例	催化剂种类	催化剂质量mg	混合液体积μL及比例	Nafion溶液体积μL	Nafion溶液质量分数	本体种类	负载量mg/cm<sup>2</sup>
								15	实施例1	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
16	实施例2	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
								17	实施例3	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
18	实施例4	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
								19	实施例5	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
20	实施例6	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
								21	实施例7	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
22	实施例8	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
								23	实施例9	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
24	实施例10	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
								25	实施例11	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
26	实施例12	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
								27	实施例13	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
28	实施例14	10	1000, 1:3	10	5%	碳纸	1
								29	实施例4	20	1000, 1:3	10	5%	碳布	2
30	实施例4	50	1000, 1:5	5	5%	碳毡	5
								31	实施例4	70	1000, 1:10	5	3%	碳布	7
32	实施例4	10	1000, 5:1	10	5%	碳纸	1

针对实施例16制备得到的气体扩散电极在氩气饱和与二氧化碳气体饱和的状态下分别进行线性扫描伏安法测试，扫描范围为0~-1.2V，扫描频率为10mV/s，得到相应的线性扫描伏安曲线。如图2所示，分析可知二氧化碳气体饱和状态下测得的线性扫描伏安曲线位于氩气饱和状态下测得的线性扫描伏安曲线的下方，表明在相同电势下，二氧化碳气体饱和时，实施例16制得的气体扩散电极的电流密度更大，即该气体扩散电极具有二氧化碳电化学还原性能。

应用例1~14：二氧化碳电化学还原

采用H型双电化学池反应器，H型双电化学池反应器中间以质子交换膜隔离为阴极室和阳极室，每室容积为100mL，反应前阴极室以20sccm的速率通入高纯二氧化碳气体30min。

采用三电极体系，以实施例15~28所制得的气体扩散电极为工作电极，面积为2cm×2cm的铂片电极为辅助电极，银/氯化银电极为参比电极，工作电极与辅助电极相对，参比电极靠近工作电极，电解液为0.5mol/L碳酸氢钾水溶液，施加工作电压-0.5V vs. RHE。

工作电极所在的阴极室进行磁力搅拌，搅拌速率为500rpm，反应室温下进行，反应时间为3600秒。

收集气相产物通过气相色谱分析，气相产物有氢气、一氧化碳等；液相产物通过核磁共振氢谱分析，液相产物有甲醇、甲酸等。

其中气相产物一氧化碳的法拉第效率如图3所示，可知本发明制备的气体扩散电极由于电化学还原催化剂中包括多壁碳纳米管以及银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属，形成具有均匀分散性的多壁碳纳米管担载的金基双金属纳米结构，显著增大了催化剂对二氧化碳还原的电化学还原催化活性，提高产物一氧化碳的法拉第效率。尤其是应用例1产物一氧化碳的法拉第效率最高。

Claims

1.一种双金属气体扩散电极，其特征在于，它包括气体扩散电极本体，以及负载在气体扩散电极本体上的二氧化碳电化学还原催化剂；

所述二氧化碳电化学还原催化剂为多壁碳纳米管担载的金基双金属，所述金基双金属由银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴中的一种和金两种金属构成。

2.根据权利要求1所述的双金属气体扩散电极，其特征在于，所述气体扩散电极本体选自碳纸、碳布或碳毡。

3.根据权利要求1所述的双金属气体扩散电极，其特征在于，所述二氧化碳电化学还原催化剂的负载量为0.5~10mg/cm²。

4.根据权利要求1所述的双金属气体扩散电极，其特征在于，所述二氧化碳电化学还原催化剂的制备方法包括：以硼氢化钠为还原剂、柠檬酸三钠为稳定剂、四水合氯金酸为金的前驱体，分别以硝酸银、乙酰丙酮铜、四水合醋酸镍、五水合硝酸铋、二水合乙酸锌、醋酸亚铁、氯化铟、乙酰丙酮钴为第二种金属元素银、铜、镍、铋、锌、铁、铟、钴的前驱体，以多壁碳纳米管为载体，采用液相还原法，依次加入金属前驱体溶液、柠檬酸三钠溶液、硼氢化钠溶液、载体，搅拌均匀，得到多壁碳纳米管担载的金基双金属催化剂。

5.根据权利要求4所述的双金属气体扩散电极，其特征在于，所述硼氢化钠溶液的浓度为0.01%~1%，柠檬酸三钠溶液的浓度为0.1%~10%，金属前驱体溶液的浓度为0.01%~10%，加入体积为1~10mL。

6.根据权利要求4所述的双金属气体扩散电极，其特征在于，所述液相还原反应的反应温度为0~50℃，反应时间为0.5~5h，搅拌速率为100~1000rpm。

7.一种如权利要求1~6任一所述的双金属气体扩散电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的双金属气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳电化学还原催化剂在异丙醇和去离子水的混合液中的浓度为1~100g/L。

9.根据权利要求7所述的双金属气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述异丙醇和去离子水的体积比例为1:10~10:1；所述Nafion溶液与混合液的体积比例为1:1000~1:100。

10.一种如权利要求1~6任一所述的双金属气体扩散电极的应用，其特征是用于二氧化碳电化学还原制备一氧化碳中。