一种电化学还原二氧化碳的方法技术

一种电化学还原二氧化碳的方法，涉及一种还原二氧化碳的方法，所述方法使用的铜基非晶合金为Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，其成分和原子百分比为：46%Cu，44.5%Zr，7.5%Al，2%Y；首先制备Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，然后常温常压下，在碳酸氢钾溶液中，将Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带作为工作电极，以碳酸氢钾溶液为电极液，以二氧化碳为碳资源，电化学还原二氧化碳；本发明专利技术为一种利用铜基非晶合金电化学还原二氧化碳的方法，既利用铜基非晶合金表面具有高的化学活性，也利用铜基非晶合金具有良好的电学性能与稳定性。该方法设备简单、易控，并且铜基非晶合金制备比较简单，价格低。

A method of electrochemical reduction of carbon dioxide

A method for electrochemical reduction of carbon dioxide relates to a method for reducing carbon dioxide. The copper-based amorphous alloy used in the method is a Cu46Zr44.5Al 7.5Y 2 amorphous alloy strip with 46% Cu, 44.5% Zr, 7.5% Al, 2% Y in composition and atomic percentage; the Cu46Zr44.5Al 7.5Y 2 amorphous alloy strip is first prepared and then at room temperature and normal temperature. In potassium bicarbonate solution, Cu46Zr44.5Al7.5Y2 amorphous alloy strip is used as working electrode, potassium bicarbonate solution is used as electrode solution, carbon dioxide is used as carbon resource, and carbon dioxide is electrochemically reduced. The surface of copper-based amorphous alloys has high chemical activity and good electrical properties and stability. The method is simple and easy to control, and the preparation of Cu based amorphous alloy is relatively simple and the price is low.

【技术实现步骤摘要】
一种电化学还原二氧化碳的方法
本专利技术涉及一种还原二氧化碳的方法，具体为一种利用铜基非晶合金电化学还原二氧化碳的方法。
技术介绍
现代工业的快速发展提高了人们的生活水平，但也产生了对环境不利的影响因素，特别是二氧化碳的排放，使大气中二氧化碳的浓度持续增加。二氧化碳的温室效应与全球变暖密切相关，带来了一系列环境问题，如冰川融化、极端的气候变化及海平面上升等，给人类的生存环境造成了严重的威胁。人们探索了各种方法以实现对二氧化碳的捕捉、储存及利用。早在19世纪，人们就发现利用化学技术能将二氧化碳还原为有经济附加值的产物，如甲酸、甲烷和烃类燃料等。二氧化碳的资源化利用成为当今国际上环境、能源及材料领域共同关注的一个研究热点。实验室中也发展出多种还原技术将二氧化碳转化为化学品或能源，例如生物还原、光还原、热还原和电还原等，但尚未能在工业生产中普及应用。其主要原因之一是催化剂的性能不佳。二氧化碳分子是C元素在自然界中最稳定的存在形式，对其进行还原利用需要催化剂帮助降低活化能与反应能垒。可以说，催化剂性能在很大程度上决定了二氧化碳还原转化的效果。现有的催化剂尚面临诸多问题。在具有产业化潜力的电化学还原二氧化碳技术中，多晶Cu被公认是唯一能够高效电催化二氧化碳产生烃的金属催化剂，因而成为电催化剂的主要候选者。但是，其选择性和稳定性的不足阻碍了Cu催化剂的实际应用。因此，提升电催化剂，尤其是Cu基催化剂的性能将促进电化学二氧化碳还原过程的产业化进程。由于催化剂的性能主要受其材料表面形貌和组成的影响，近四十年来，研究者们尝试对Cu材料进行多种多样的形貌改造或合金化。此外，由于二氧化碳还原过程复杂、产物多样，其反应机理和路径尚不明晰，这也增加了催化剂设计上的盲目性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种利用铜基非晶合金电化学还原二氧化碳的方法，既利用铜基非晶合金表面具有高的化学活性，也利用铜基非晶合金具有良好的电学性能与稳定性。该方法设备简单、易控，并且铜基非晶合金制备比较简单，价格低。本专利技术的技术方案是：一种电化学还原二氧化碳的方法，所述方法使用的铜基非晶合金为Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，其成分和原子百分比为：46%Cu，44.5%Zr，7.5%Al，2%Y；首先制备Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，然后常温常压下，在碳酸氢钾溶液中，将Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带作为工作电极，以碳酸氢钾溶液为电极液，以二氧化碳为碳资源，电化学还原二氧化碳；具体制备步骤如下：（1）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9%（质量百分比）的Cu、Zr、Al和Y；利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为100克；然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面；（2）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至7×10-4Pa，再通入纯度为99.99%（质量百分比）的高纯氩气；将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭；熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，取出母合金铸锭；（3）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备电极制备：将上述熔炼好的母合金锭去氧化皮后，压碎成小块；然后将50克的小块合金锭放入下面带有小孔（直径1-1.5毫米）的石英管内后，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里，待工作腔真空至2×10-3帕，再进行感应熔炼；待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷到高速旋转的铜辊表面，形成Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带；（4）电极的腐蚀：上述制备的Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带作为电极，取计算量的40%氢氟酸溶液1-3毫升，加入去离子水；（5）电极催化还原二氧化碳：在常温常压下，实验在H型石英电极池中进行；用质子交换膜将电解池分隔为阴极室和阳极室，上述两室电解液均为碳酸氢钾水溶液，电极催化还原二氧化碳前，阴极室电解液中先通入氮气30分钟以除去电解液中的氧气，在通入二氧化碳30分钟，使阴极电解液中的二氧化碳浓度达到饱和，持续不断地通入二氧化碳，流量控制住10-30毫升/分钟。所述的一种电化学还原二氧化碳的方法，所述Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备的母合金熔炼，为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭至少需要翻炼5次。所述的一种电化学还原二氧化碳的方法，所述电极的腐蚀，把腐蚀好的电极置于无水己醇中，用超声波清洗5分钟，然后置于蒸溜水中清洗5分钟，最后放在空烧杯中，用吹风机吹干。所述的一种电化学还原二氧化碳的方法，所述电极催化还原二氧化碳腐蚀后的Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带、铂片、饱和甘汞电极分别作工作电极、对电极和参比电极；采取定时取样的方法采取样品，用气相色谱仪来进行定性与定量分析。本专利技术具有以下优点：1、与传统铜电极极相比，本专利技术所制备的Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带电极，其表面既具有更高的化学活性，同时也具有良好的电学性能与稳定性。2、本专利技术铜基非晶合金形成能力强，生产成本低，技术成熟，无需大量的资金，产业化较容易。具体实施方式以下通过实施例详述本专利技术。一种利用铜基非晶合金电化学还原二氧化碳的方法，该专利技术使用的铜基非晶合金为Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，其成分和原子百分比为：46%Cu，44.5%Zr，7.5%Al，2%Y。实施例1Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备（1）配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9%（质量百分比）的Cu、Zr、Al和Y。利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为100克。然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面。（2）母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至7×10-4Pa，再通入纯度为99.99%（质量百分比）的高纯氩气。将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭。为保证母合金铸锭的化学成分均匀性，母合金铸锭翻炼5次。熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，然后打开钨极磁控电弧炉取出母合金铸锭。（3）电极制备：将上述熔炼好的母合金锭去氧化皮后，压碎成小块；然后将50克的小块合金锭放入下面带有小孔（直径1.3毫米）的石英管内后，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里，待工作腔真空至2×10-3帕，再进行感应熔炼；待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷到高速旋转的铜辊表面，形成Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带。（4）电极的腐蚀：上述制备的Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带作为电极，取计算量的40%氢氟酸溶液2.5毫升，加入去离子水，配置成50本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电化学还原二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法使用的铜基非晶合金为Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，其成分和原子百分比为：46%Cu，44.5%Zr，7.5%Al，2%Y；首先制备Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，然后常温常压下，在碳酸氢钾溶液中，将Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带作为工作电极，以碳酸氢钾溶液为电极液，以二氧化碳为碳资源，电化学还原二氧化碳；具体制备步骤如下：（1）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9 %（质量百分比）的Cu、Zr、Al和Y；利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为100克；然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面；（2）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至 7×10‑4 Pa，再通入纯度为 99.99%（质量百分比）的高纯氩气；将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭；熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，取出母合金铸锭；（3）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备电极制备：将上述熔炼好的母合金锭去氧化皮后，压碎成小块；然后将50克的小块合金锭放入下面带有小孔（直径1‑1.5 毫米）的石英管内后，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里，待工作腔真空至2×10‑3帕，再进行感应熔炼；待小块合金由固体变成合金熔体，并且合金熔体的温度达到预设温度后，立即用高纯氩气将石英管内的合金熔体喷到高速旋转的铜辊表面，形成Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带；（4）电极的腐蚀：上述制备的Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带作为电极，取计算量的40%氢氟酸溶液1‑3毫升，加入去离子水；（5）电极催化还原二氧化碳：在常温常压下，实验在H型石英电极池中进行；用质子交换膜将电解池分隔为阴极室和阳极室，上述两室电解液均为碳酸氢钾水溶液，电极催化还原二氧化碳前，阴极室电解液中先通入氮气30分钟以除去电解液中的氧气，在通入二氧化碳30分钟，使阴极电解液中的二氧化碳浓度达到饱和，持续不断地通入二氧化碳，流量控制住10‑30毫升/分钟。...

【技术特征摘要】
1.一种电化学还原二氧化碳的方法，其特征在于，所述方法使用的铜基非晶合金为Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，其成分和原子百分比为：46%Cu，44.5%Zr，7.5%Al，2%Y；首先制备Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带，然后常温常压下，在碳酸氢钾溶液中，将Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带作为工作电极，以碳酸氢钾溶液为电极液，以二氧化碳为碳资源，电化学还原二氧化碳；具体制备步骤如下：（1）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备配料：试验所用单质原料均采用纯度不低于99.9%（质量百分比）的Cu、Zr、Al和Y；利用精密电子天平称出上述单质原料的质量，上述单质原料的总质量为100克；然后用石油醚和无水乙醇对上述单质原料进行超声波清洗，最后把上述单质原料混合一起放入钨极磁控电弧炉里面；（2）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备母合金熔炼：将钨极磁控电弧炉工作腔抽真空至7×10-4Pa，再通入纯度为99.99%（质量百分比）的高纯氩气；将金属钛熔化，通过金属钛在高温下强烈的氧化反应以进一步降低工作腔内氧的分压，然后再熔炼上述单质原料，使其成为母合金铸锭；熔炼完成后，母合金铸锭随钨极磁控电弧炉冷却至室温，取出母合金铸锭；（3）Cu46Zr44.5Al7.5Y2非晶合金条带制备电极制备：将上述熔炼好的母合金锭去氧化皮后，压碎成小块；然后将50克的小块合金锭放入下面带有小孔（直径1-1.5毫米）的石英管内后，再把装有小块合金的石英管放进感应炉里，待工作腔真空...

【专利技术属性】
技术研发人员：马国峰，张鸿龄，鲁志颖，
申请(专利权)人：沈阳大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21