CN112442706A - 电催化还原co2的负载型金铂合金电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电催化还原CO2的负载型金铂合金电极及其制备方法,先对Vulcan XC‑72R炭黑或者碳纳米管进行亲水处理,以油胺作为稳定剂,以氯金酸和氯铂酸作为前驱体,以甲硼烷叔丁胺络合物作为还原剂,加入处理过的炭黑或碳纳米管,进行机械搅拌,离心洗涤,真空干燥得到负载型金铂合金,配置墨水溶液,将制备的合金催化剂材料涂敷干燥制备得到负载型金铂合金电极。制备的负载型金铂合金电极具有高催化活性,高稳定性,具有良好的电化学催化还原CO2的性能。制备工艺过程简单,对设备要求低,具有较好的工业前景。
Description
技术领域
本发明涉及电催化还原领域,主要涉及一种电催化还原CO2的负载型金铂合金电极及其制备方法。
背景技术
众所周知,CO2是全球气候变暖最主要的原因,其导致的温室效应带来了一系列问题,如海平面上升,冰川融化以及动植物种类减少等等。因此全世界范围内越来越多的科研人员都在加大对CO2的再处理的科学研究。
如何将二氧化碳转化为具有更高附加值的产物正是现在研究的方向。而二氧化碳通过化学转化的途径进行转化,包括热催化,光催化,电催化等几种途径。电催化还原CO2相比其它几种催化方式具有以下几个优点:(1)反应条件温和,在常温常压下就可以进行;(2)反应具有可控性,反应的方向和程度,可以通过电极电势和反应温度等控制;(3)整个反应没有新的CO2产生,反应所需的电能,可以由太阳能,风能,潮汐能等新能源产生。(4)溶液中的支持电解质可以循环使用,使整个反应的消耗降到最低,产生的污染物只有废水。
就电催化还原CO2的领域来说,电极材料的发展将决定其未来发展的程度。到目前为止,大致可以将用于还原CO2的过渡金属催化剂分为如下几类,第一组金属包括Pb,Hg,Sn和Cd等,这些金属结合CO2 ·—中间体的能力很弱,反应产物通常为甲酸。第二组金属为Au,Ag,Zn等,对CO2 ·—中间体的结合能力适中,然而其对·CO中间体的吸附能力较弱,因此CO会脱附下来,生成CO,而不会进一步反应。第三类金属只有Cu,其可以结合CO2 ·—中间体,也可以进一步还原CO,因此可以生成具有更高附加值的烷烃类产物。第四组金属为Pt,Fe和Ni等,在水相介质中,基本不能发生CO2的还原反应,主要是析氢反应。Cu类催化剂虽然能催化CO2转化为烷烃类产物,但其催化产物选择低、产率低,此外,催化剂稳定差。
发明内容
本发明的目的是提供一种电催化还原CO2的负载型金铂合金电极及其制备方法,通过浸渍还原的方法得到在炭黑或碳纳米管上负载均匀的金铂合金,该碳载金铂合金电极具有高催化活性、高稳定性,且具有良好的电化学催化还原CO2的性能。
本发明为实现上述目的,所采用的技术方案是:
电催化还原CO2的负载型金铂合金电极,通过以下制备方法获得,所述的制备方法,包括以下步骤:先对Vulcan XC-72R炭黑或者碳纳米管进行亲水处理,以油胺作为稳定剂,以氯金酸和氯铂酸作为前驱体,以甲硼烷叔丁胺络合物作为还原剂,加入处理过的炭黑或碳纳米管,进行机械搅拌,离心洗涤,真空干燥得到负载型金铂合金,配置墨水溶液,将制备的合金催化剂材料涂敷干燥制备得到负载型金铂合金电极。
其中具体制备步骤如下:
电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,各原料的用量按照以下物料比例,包括以下步骤:
(1)取5~10g炭黑或碳纳米管,加入到200mL丙酮溶液中,升温至60℃,冷凝回流,恒温4h,干燥洗涤,除去表面的丙酮溶液;加入到的200mL盐酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的盐酸溶液;加入到200mL硝酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的硝酸溶液;干燥5~10h,得到具有亲水性的VulcanXC-72R炭黑或者碳纳米管载体;
(2)取10~60mg步骤(1)中处理过的炭黑或者碳纳米管载体,加入适量去离子水,超声处理,得到炭黑或者碳纳米管载体溶液;
适量稳定剂,升温至60℃,在持续搅拌的情况下加入氯金酸和氯铂酸溶液,恒温20min,升温至80~90℃,加入适量还原剂,恒温30~50min,得到反应溶液;
将炭黑或者碳纳米管载体溶液,加入到反应溶液中,恒温搅拌3~10h,停止反应,待溶液冷却至室温,使用正己烷与乙醇混合液洗涤,将催化剂加入到适量上述混合液中,加入1~5mL冰醋酸,搅拌20min,离心洗涤三次,在真空干燥箱中干燥,即可得到负载型金铂合金催剂;
(3)去离子水与无水乙醇为3:1的体积,5%萘酚溶液,2mg步骤(2)中制备的负载型金铂合金催剂,配置成墨水溶液,超声处理;裁剪1*1cm的碳纸,取墨水溶液,均匀涂敷在碳纸上,干燥处理,重复3次,制备得到用于电化学催化还原二氧化碳的负载型金铂合金催化电极。
步骤(1)中所述的盐酸溶液质量浓度为6%;硝酸溶液浓度为5mol/L。
步骤(2)中所述的氯金酸为四水氯金酸,氯铂酸为六水氯铂酸;氯金酸的浓度为0.0243mol/L,氯铂酸的浓度为0.0193mol/L;正己烷与乙醇的的体积比例为1:3。己烷与乙醇混合溶液的配比,以及后面的冰醋酸的处理,能够有效的除去催化剂表面残余的油胺。
步骤(2)中所述的稳定剂为油胺,所述的还原剂为甲硼烷叔丁胺络合物。
步骤(3)所述的干燥处理,是将涂敷好的碳纸电极在红外干燥箱中进行快速干燥。
本发明获得的电催化还原CO2的负载型金铂合金电极,利用Pt对于CO具有强的吸附能力,来改善合金催化剂对反应中间体CO的结合能,从而实现对中间体CO的进一步反应,电催化还原CO2生成烷烃类产物。同时,Au的掺入增强了催化剂稳定性。
本发明制备的电催化还原CO2的负载型金铂合金电极,有如下几点优势:
(1)洗涤试剂的配置可以有效地除去催化剂表面残留的稳定剂。
(2)催化剂的负载量可控,通过调整前躯体的量可以有效调控催化剂中金铂的比例。
(3)催化剂的制备,工艺过程简单,对设备要求低,具有较好的工业前景。
附图说明
图1为实施例1制备的负载在Vulcan XC-72R炭黑上的金铂合金催化剂的扫描电子显微(SEM)照片。
图2为实施例3制备的负载在多壁碳纳米管上的金铂合金催化剂的扫描电子显微(SEM)照片。
图3为本发明实施例1制备的金铂合金催化剂的XRD衍射谱图。
图4为实施例3制备的催化电极为工作电极,饱和银/氯化银电极(Ag/AgCl)为参比电极,铂丝为对电机,在H型电解槽中,NaFiona117作为质子交换膜,在0.5mol/L饱和碳酸氢钾组成的水溶液中,CO2的流速为30mL/min,扫描速度为50mV/s条件下得到的电流密度-电压曲线。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
实施例1
电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,包括以下步骤:
(1)取5gVulcan XC-72R炭黑,加入到200mL丙酮溶液中,升温至60℃,冷凝回流,恒温4h,干燥洗涤,除去表面的丙酮溶液;加入到的200mL(1:5)的盐酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的盐酸溶液;加入到200mL5mol/L硝酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的硝酸溶液。干燥10h,得到具有亲水性的Vulcan XC-72R炭黑载体。
(2)取30mg步骤(1)中处理过的炭黑载体,加入适量去离子水,超声处理,以备后用。20mL油胺溶液,升温至60℃,在持续搅拌的情况下加入1.6mL氯金酸和0.503mL氯铂酸溶液,恒温20min,升温至90℃,加入适量甲硼烷叔丁胺络合物,恒温30min,将超声分散均匀的载体,加入到上述反应溶液中,恒温搅拌3h,停止反应,待溶液冷却至室温,使用正己烷与乙醇比为1:3的混合液洗涤,将催化剂加入到20mL上述混合液中,加入2mL冰醋酸,搅拌20min,离心洗涤三次,在真空干燥箱中60℃,干燥24h,即可得到负载型金铂合金催剂。
取去离子水0.5mL,无水乙醇1.5mL,6uL 5%萘酚溶液,2mg步骤(2)中制备的催化剂,配置成墨水溶液,超声15min,裁剪1*1cm的碳纸,取上述溶液8ul,均匀涂敷在碳纸上,在红外干燥箱中,快速干燥,重复3次,制备得到用于电化学催化还原二氧化碳的负载型金铂合金催化电极。
实施例1制备的负载在Vulcan XC-72R炭黑上的金铂合金催化剂的扫描电子显微(SEM)照片如图1所示,XRD衍射谱图如图3所示。
实施例2
电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,包括以下步骤:
(1)取10gVulcan XC-72R炭黑,加入到200mL丙酮溶液中,升温至60℃,冷凝回流,恒温4h,干燥洗涤,除去表面的丙酮溶液;加入到的200mL(1:5)的盐酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的盐酸溶液;加入到200mL5mol/L硝酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的硝酸溶液。干燥10h,得到具有亲水性的Vulcan XC-72R炭黑载体。
(2)取30mg步骤(1)中处理过的Vulcan XC-72R炭黑载体,加入适量去离子水,超声处理,以备后用。加入20mL油胺溶液,升温至60℃,在持续搅拌的情况下加入1mL氯金酸和1.26mL氯铂酸溶液,恒温20min,升温至90℃,加入适量甲硼烷叔丁胺络合物,恒温30min,将超声分散均匀的载体,加入到上述反应溶液中,恒温搅拌3h,停止反应,待溶液冷却至室温,使用正己烷与乙醇比为1:3的混合液洗涤,将催化剂加入到20mL上述混合液中,加入2mL冰醋酸,搅拌20min,离心洗涤三次,在真空干燥箱中60℃,干燥24h,即可得到负载型金铂合金催剂。
取去离子水0.5mL,无水乙醇1.5mL,6uL 5%萘酚溶液,2mg步骤(2)中制备的催化剂,配置成墨水溶液,超声15min,裁剪1*1cm的碳纸,取上述溶液8ul,均匀涂敷在碳纸上,在红外干燥箱中,快速干燥,重复3次,制备得到用于电化学催化还原二氧化碳的负载型金铂合金催化电极。
实施例3
电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,包括以下步骤:
(1)取10g碳纳米管,加入到200mL丙酮溶液中,升温至60℃,冷凝回流,恒温4h,干燥洗涤,除去表面的丙酮溶液;加入到的200mL(1:5)的盐酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的盐酸溶液;加入到200mL5mol/L硝酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的硝酸溶液。干燥10h,得到具有亲水性的碳纳米管载体。
(2)取30mg步骤(1)中处理过的碳纳米管载体,加入适量去离子水,超声处理40min,以备后用。20mL油胺溶液,升温至60℃,在持续搅拌的情况下加入1.6mL氯金酸和0.503mL氯铂酸溶液,恒温20min,升温至90℃,加入适量甲硼烷叔丁胺络合物,恒温30,将超声分散均匀的载体,加入到上述反应溶液中,恒温搅拌3h,停止反应,待溶液冷却至室温,使用正己烷与乙醇比为1:3的混合液洗涤,将催化剂加入到20mL上述混合液中,加入2mL冰醋酸,搅拌20min,离心洗涤三次,在真空干燥箱中60℃,干燥24h,即可得到负载型金铂合金催剂。
取去离子水0.5mL,无水乙醇1.5mL,6uL 5%萘酚溶液,2mg步骤(2)中制备的催化剂,配置成墨水溶液,超声15min,裁剪1*1cm的碳纸,取上述溶液8ul,均匀涂敷在碳纸上,在红外干燥箱中,快速干燥,重复3次,制备得到用于电化学催化还原二氧化碳的负载型金铂合金催化电极。
实施例3制备的负载在多壁碳纳米管上的金铂合金催化剂的扫描电子显微(SEM)照片如图2所示。该催化电极为工作电极,饱和银/氯化银电极(Ag/AgCl)为参比电极,铂丝为对电机,在H型电解槽中,NaFiona117作为质子交换膜,在0.5mol/L饱和碳酸氢钾组成的水溶液中,CO2的流速为30mL/min,扫描速度为50mV/s条件下得到的电流密度-电压曲线如图4所示。
Claims (6)
1.电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,其特征在于,各原料的用量按照以下物料比例,包括以下步骤:
(1)取5~10g炭黑或碳纳米管,加入到200mL丙酮溶液中,升温至60℃,冷凝回流,恒温4h,干燥洗涤,除去表面的丙酮溶液;加入到的200mL盐酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的盐酸溶液;加入到200mL硝酸溶液中,加热到120℃,冷凝回流,恒温10h,干燥洗涤,除去表面的硝酸溶液;干燥5~10h,得到具有亲水性的Vulcan XC-72R炭黑或者碳纳米管载体;
(2)取10~60mg步骤(1)中处理过的炭黑或者碳纳米管载体,加入适量去离子水,超声处理,得到炭黑或者碳纳米管载体溶液;
适量稳定剂,升温至60℃,在持续搅拌的情况下加入氯金酸和氯铂酸溶液,恒温20min,升温至80~90℃,加入适量还原剂,恒温30~50min,得到反应溶液;
将炭黑或者碳纳米管载体溶液,加入到反应溶液中,恒温搅拌3~10h,停止反应,待溶液冷却至室温,使用正己烷与乙醇混合液洗涤,将催化剂加入到适量上述混合液中,加入1~5mL冰醋酸,搅拌20min,离心洗涤三次,在真空干燥箱中干燥,即可得到负载型金铂合金催剂;
(3)去离子水与无水乙醇为3:1的体积,5%萘酚溶液,2mg步骤(2)中制备的负载型金铂合金催剂,配置成墨水溶液,超声处理;裁剪1*1cm的碳纸,取墨水溶液,均匀涂敷在碳纸上,干燥处理,重复3次,制备得到用于电化学催化还原二氧化碳的负载型金铂合金催化电极。
2.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的盐酸溶液质量浓度为6%;硝酸溶液浓度为5mol/L。
3.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的氯金酸为四水氯金酸,氯铂酸为六水氯铂酸;氯金酸的浓度为0.0243mol/L,氯铂酸的浓度为0.0193mol/L;正己烷与乙醇的的体积比例为1:3。
4.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述的稳定剂为油胺,所述的还原剂为甲硼烷叔丁胺络合物。
5.根据权利要求1所述的电催化还原CO2的负载型金铂合金电极的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述的干燥处理,是将涂敷好的碳纸电极在红外干燥箱中进行快速干燥。
6.一种电催化还原CO2的负载型金铂合金电极,其特征在于,由权利要求书1到5任一项所述的制备方法所得。
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