CN113118451A - 一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法 - Google Patents

一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于化学催化技术领域，具体涉及一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法。该方法步骤如下：(1)将二氰二胺、氯化钾和氯化钠按照摩尔比1:2:2进行混合研磨，放置在马弗炉的坩埚中进行煅烧；(2)将煅烧后的固体产物研磨加入水和乙醇的混合溶液进行洗涤、干燥，得到纯净的碳三氮四纳米片；(3)将碳三氮四纳米片在水中分散，再加入镁盐和碳纳米管，搅拌混合，再进行冷冻干燥；(4)将冷冻干燥后的样品转移到石英舟中，在氩气氛围下煅烧得到镁单原子催化剂。利用本发明制备的镁单原子催化剂均匀分散于电极材料上，应用于电催化二氧化碳反应，表现出优异的产一氧化碳的催化活性和最大的原子利用效率。

Description

一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子 催化剂的制备方法
技术领域
本发明属于化学催化技术领域，具体涉及一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法。
背景技术
电催化二氧化碳还原反应被认为是最具有前景的碳捕获和利用策略之一。通过电还原反应可以将二氧化碳直接转化为甲酸、醇类和烃类等产物，该方式主要有以下优势：(1)电催化二氧化碳还原可以在很温和的环境条件下进行，这将利于大规模的产业化；(2)可以通过调节电解池和催化剂的特性来有效地调控产物；(3)转化过程中具有很高的经济效益和可持续性。由于二氧化碳分子具有很高的化学惰性，对高效和低成本的电催化剂的研究引起了人们广泛的关注。
近年来，很多研究者将金属单原子催化剂应用于高效电催化二氧化碳还原方面的。人们已经设计了诸多单原子催化剂，在该催化剂中以孤立或者耦合形式存在的金属单原子均匀分散在导电载体上，它具备明确的反应活性位点以及最大程度提高原子利用率，而且融合了均相和非均相催化剂的优势。但是目前由于合成单原子催化剂的方法很复杂而且成功率较低，以至于金属单原子催化剂在二氧化碳电还原中的应用严重受限。
发明内容
针对上述技术现状，本发明的目的在于提供一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其技术路线简单、具有普适性，具有优异的电化学还原二氧化碳至一氧化碳的催化转化选择性，也可推广作为诸如氧气还原反应等电催化剂。
本发明所提供的技术方案为：
一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将二氰二胺、氯化钾和氯化钠按照摩尔比1:2:2进行混合研磨，放置在马弗炉的坩埚中，在空气氛围下升温至670℃煅烧，并保温45分钟；
(2)将煅烧后的固体产物研磨同时加入水和乙醇的混合溶液，进行洗涤、干燥，得到纯净的碳三氮四纳米片；
(3)将20mg的碳三氮四纳米片加入水中分散，再加入微量镁盐和8mg的碳纳米管，搅拌混合，再进行冷冻干燥；
(4)将冷冻干燥后的样品转移到石英舟中，在氩气氛围下升温至600℃碳化，并保温45分钟后，得到镁单原子催化剂。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，二氰二胺、氯化钾和氯化钠的总质量为4～5g。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，镁盐为镁的硝酸盐及其水合物、镁的氯化盐及其水合物中的一种。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，制备碳三氮四纳米片的煅烧升温速率为2～2.5℃/min。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，在水和乙醇的混合溶液中，水的体积是乙醇的2～2.5倍。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，作为优选，镁盐的摩尔量在0.0005～0.0008mmol之间。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，碳纳米管长度为30～50nm之间。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，碳化升温速率为5～6℃/min。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，镁单原子催化剂应用于电催化二氧化碳还原至一氧化碳的反应。
所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，镁单原子催化剂用于电催化二氧化碳还原至一氧化碳的法拉第转化效率为90％～100％。
本发明的设计思想是：通过简单的物理混合、碳化方法将镁单原子镶嵌在碳三氮四载体上，形成稳定的镁单原子催化剂，碳纳米管能够将电子传输给碳三氮四，进而在镁单原子上发生二氧化碳的吸附和转化
实验证实，本发明提供的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法具有如下特点和优点：
(1)本发明制备得到的镁单原子催化剂具有优良的二氧化碳还原反应生成一样的转化效率。
(2)与已经报道的传统二氧化碳电还原催化剂材料相比，本发明所需要的金属量非常微小，能够降低工业化应用的成本，减少环境污染。
(3)与已经报道的传统二氧化碳电还原催化剂材料相比，本发明制备得到的镁单原子纳米片催化剂，在广泛的电压范围内仍能够保持>90％的二氧化碳转化至一氧化碳的法拉第效率。
(4)目前已经报道的单原子催化剂的制备方法往往只适用于某一种金属催化剂的制备，本发明提供的制备方法具有普适性，可以制备任意金属纳米片催化剂，例如：铁单原子催化剂、钴单原子催化剂、镍单原子催化剂等。
(5)利用本发明的方法制备的镁单原子均匀分散于电极材料上，可应用于电催化二氧化碳反应中，表现出优异的催化活性和最大的原子使用效率。
附图说明
图1是本发明实施例1制得碳三氮四纳米片的扫描电镜图。
图2是本发明实施例1制得镁单原子催化剂的球差电镜图。
图3是本发明实施例1制得的负载在碳纸上镁单原子催化剂电催化还原二氧化碳至一氧化碳的法拉第效率，与纯碳纳米管电催化还原二氧化碳至一氧化碳的法拉第效率对比图。
图4是本发明实施例1制得的负载在碳纸上镁单原子催化剂电催化还原二氧化碳至一氧化碳的电流密度，与纯碳纳米管电催化还原二氧化碳至一氧化碳的电流密度对比图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明镁单原子催化剂的制备方法，主要包括步骤如下：(1)将二氰二胺、氯化钾和氯化钠按照摩尔比1:2:2进行混合研磨，放置在马弗炉的坩埚中进行煅烧；(2)将煅烧后的固体产物研磨同时加入水和乙醇的混合溶液进行洗涤、干燥，得到纯净的碳三氮四纳米片；(3)将碳三氮四纳米片在水中分散，再加入镁盐和碳纳米管，搅拌混合，再进行冷冻干燥；(4)将冷冻干燥后的样品转移到石英舟中，在氩气氛围下煅烧得到镁单原子催化剂。
下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法如下：首先将二氰二胺、氯化钾和氯化钠的混合物按照摩尔比1:2:2进行研磨，称取总质量为4g的混合物，将其放置在马弗炉的30mL坩埚中，在空气氛围下升温至670℃煅烧，并保温45分钟，升温速率为2℃/min；将煅烧后的固体产物研磨并加入水和乙醇的混合溶液(水的体积是乙醇的2.25倍)中进行洗涤、干燥，得到纯净的碳三氮四纳米片，见图1。将20mg的碳三氮四纳米片加入水中分散，再加入0.0005mmol氯化镁和8mg长度为30nm的碳纳米管，搅拌混合，再进行冷冻干燥。将冷冻干燥后的样品转移到石英舟中，在氩气氛围下升温至600℃碳化，升温速率为5℃/min，保温45分钟后，得到镁单原子催化剂。
由图2可以看出，根据上面方法成功制备出镁单原子催化剂。同时，其二氧化碳电还原产一氧化碳的性能测试如下：
上述制备的负载在碳纸电极上的镁单原子催化剂采用三电极H型电解池进行测试，碳纸电极为工作电极，对电极为铂片，参比电极为Ag/AgCl电极，电解质为摩尔浓度0.5M的KHCO3水溶液，测试电压范围为-0.578V～1.178V vs.RHE。
为了比较，在相同测试条件下测试纯碳纳米管的二氧化碳电还原产一氧化碳的性能。
如图3所示，测试结果表明，负载在碳纸电极上的镁单原子催化剂，电催化还原二氧化碳至一氧化碳，在-0.978V vs.RHE电位处产一氧化碳的法拉第效率为95％，而纯碳纳米管在相同电位下不产一氧化碳，仅仅只有氢气产生，产氢气的法拉第效率为100％。同时，负载在碳纸上的镁单原子催化剂材料在广泛的测试电压(如：较宽的电位-1.15～-0.9Vvs.RHE)下，镁单原子催化剂电催化还原二氧化碳至一氧化碳的法拉第效率也能保持>90％。而采用纯碳纳米管催化剂进行电催化时，在相同电位下不产一氧化碳。
如图4所示，测试结果表明，在H型电解池中也能产生高达>30mA/cm2的电化学二氧化碳还原电流密度，能够满足工业需要。
实施例2：
本实施例中，高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法如下：首先将二氰二胺、氯化钾和氯化钠的混合物按照摩尔比1:2:2进行研磨，称取总质量为4.3g的混合物，将其放置在马弗炉的30mL坩埚中，在空气氛围下升温至670℃煅烧，并保温45分钟，升温速率为2.3℃/min；将煅烧后的固体产物研磨加入水和乙醇的混合溶液(水的体积是乙醇的2倍)进行洗涤、干燥，得到纯净的碳三氮四纳米片，见图1。将20mg的碳三氮四纳米片加入水中分散，再加入0.0008mmol硝酸化镁和8mg长度为40nm的碳纳米管，搅拌混合，再进行冷冻干燥。将冷冻干燥后的样品转移到石英舟中，在氩气氛围下升温至600℃碳化，升温速率为5.5℃/min，保温45分钟后，得到镁单原子催化剂。
所得的镁单原子催化剂的形貌与实施例1类似，其性能指标如下：采用该种方法合成的镁单原子催化剂生产一氧化碳的最佳法拉第效率为94.8％，且电流密度可以达到35mA/cm2，该种纳米片有着优良的电化学还原二氧化碳至一氧化碳的催化转化选择性。
实施例3：
本实施例中，高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法如下：首先将二氰二胺、氯化钾和氯化钠的混合物按照摩尔比1:2:2进行研磨，称取总质量为5g的混合物，将其放置在马弗炉的30mL坩埚中，在空气氛围下升温至670℃煅烧，并保温45分钟，升温速率为2.4℃/min；将煅烧后的固体产物研磨加入水和乙醇的混合溶液(水的体积是乙醇的2.5倍)进行洗涤、干燥，得到纯净的碳三氮四纳米片，见图1。将20mg的碳三氮四纳米片加入水中分散，再加入0.0007mmol氯化镁和8mg长度为50nm的碳纳米管，搅拌混合，再进行冷冻干燥。将冷冻干燥后的样品转移到石英舟中，在氩气氛围下升温至600℃碳化，升温速率为5.8℃/min，保温45分钟后，得到镁单原子催化剂。
所得的镁单原子催化剂形貌与实施例1类似，其性能指标如下：采用该种方法合成的镁单原子催化剂具有与实施例1类似的清晰单原子结构，而且生产一氧化碳的最佳法拉第效率为94.9％，该种纳米片有着优良的电化学还原二氧化碳至一氧化碳的催化转化选择性。
实施例结果表明，利用本发明制备的镁单原子催化剂均匀分散于电极材料上，应用于电催化二氧化碳反应，表现出优异的产一氧化碳的催化活性和最大的原子利用效率。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)将二氰二胺、氯化钾和氯化钠按照摩尔比1:2:2进行混合研磨，放置在马弗炉的坩埚中，在空气氛围下升温至670℃煅烧，并保温45分钟；
(2)将煅烧后的固体产物研磨同时加入水和乙醇的混合溶液，进行洗涤、干燥，得到纯净的碳三氮四纳米片；
(3)将20mg的碳三氮四纳米片加入水中分散，再加入微量镁盐和8mg的碳纳米管，搅拌混合，再进行冷冻干燥；
(4)将冷冻干燥后的样品转移到石英舟中，在氩气氛围下升温至600℃碳化，并保温45分钟后，得到镁单原子催化剂。
2.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，二氰二胺、氯化钾和氯化钠的总质量为4～5g。
3.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，镁盐为镁的硝酸盐及其水合物、镁的氯化盐及其水合物中的一种。
4.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，制备碳三氮四纳米片的煅烧升温速率为2～2.5℃/min。
5.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，在水和乙醇的混合溶液中，水的体积是乙醇的2～2.5倍。
6.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，作为优选，镁盐的摩尔量在0.0005～0.0008mmol之间。
7.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，碳纳米管长度为30～50nm之间。
8.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，碳化升温速率为5～6℃/min。
9.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，镁单原子催化剂应用于电催化二氧化碳还原至一氧化碳的反应。
10.如权利要求1所述的应用于高效二氧化碳还原反应生成一氧化碳的镁单原子催化剂的制备方法，其特征是，镁单原子催化剂用于电催化二氧化碳还原至一氧化碳的法拉第转化效率为90％～100％。
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