钯纳米颗粒—活性炭复合材料及其在二氧化碳电催化还原中的应用制造技术

本发明专利技术公开钯纳米颗粒—活性炭复合材料及其在二氧化碳电催化还原中的应用，通过晶种生长法，通过调节前驱体浓度的用量，获得不同的钯纳米颗粒，再与活性炭进行材料复合，最后作为电极材料，在电催化二氧化碳还原中的应用。本发明专利技术制备的材料具有二氧化碳催化还原性能优越，具有一定工业价值，有效缓解当今化石燃料短缺，环境污染严重问题。

Pd nanoparticles-activated carbon composites and their application in carbon dioxide electrocatalytic reduction

【技术实现步骤摘要】
钯纳米颗粒—活性炭复合材料及其在二氧化碳电催化还原中的应用
本专利技术涉及二氧化碳电催化阴极产一氧化碳电极领域，更加具体地说，具体为一种高指数晶面钯金属在二氧化碳电催化中的用途。
技术介绍
从工业革命到现代社会，随着人类生产力的提高，对于煤、石油等传统化石能源的消耗越来越多，化石燃料的大量使用，不但造成了能源危机，同时在燃烧过程中产生大量二氧化碳。二氧化碳在大气中的含量已经从19世纪的280ppm提高到了目前的385ppm，专家预计到2100年，大气中的二氧化碳含量将达到600ppm，二氧化碳的迅速增加，会导致全球气候变暖，引发海平面上升和土地荒漠化1，2。那么利用风能、水能、太阳能等可再生能源发电来将二氧化碳转化成有价值的能源，是解决这一难题的有效方法3-5。但是由于二氧化碳本身的化学稳定性，很难被活化，导致所用的Au6，7，Ag8，Cu9，目前的转化效率不是很高。因此，寻找价格相对较低，同时活性高的金属催化剂是目前研究的热点。金属Pd具有一定的二氧化碳电催化活性，收到广泛关注，比如Bao课题组通过制备Pd的金属颗粒10，发现当粒径在3nm左右时，催化活性很高，但是受到粒径影响很大，当粒径大时，活性急剧下降，而小粒径的钯颗粒，在反应过程中，很容易发生团聚现象，稳定性差，很难保持长时间的使用。对于研究二氧化碳的电催化的影响，还是简单停留在粒径和形貌上，没有从更深入的方面进入研究。通过合理设计催化剂，对于钯金属表面的有效调控，将大大提升催化剂CO2电催化活性，参考文献如下：1.Zhang,L.,Zhao,Z.J.,Gong,J.,NanostructuredMaterialsforHeterogeneousElectrocatalyticCO2ReductionandtheirRelatedReactionMechanisms.Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,11326-113532.Lu,Q.,Jiao,F.,ElectrochemicalCO2reduction:Electrocatalyst,reactionmechanism,andprocessengineering.NanoEnergy2016,29,439-456.3.Chen,Y.,Li,C.W.,Kanan,M.W.,AqueousCO2reductionatverylowoverpotentialonoxide-derivedAunanoparticles.J.Am.Chem.Soc.2012,134,19969-19972.4.Huang,H.,Jia,H.,Liu,Z.,Gao,P.,Zhao,J.,Luo,Z.,Yang,J.,Zeng,J.,UnderstandingofStrainEffectsintheElectrochemicalReductionofCO2:UsingPdNanostructuresasanIdealPlatform.Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,3594-3598.5.Luc,W.,Collins,C.,Wang,S.,Xin,H.,He,K.,Kang,Y.,Jiao,F.,Ag-SnBimetallicCatalystwithaCore-ShellStructureforCO2Reduction.J.Am.Chem.Soc.2017,139,1885-1893.6.Mistry,H.,Reske,R.,Zeng,Z.,Zhao,Z.J.,Greeley,J.,Strasser,P.,Cuenya,B.R.,Exceptionalsize-dependentactivityenhancementintheelectroreductionofCO2overAunanoparticles.J.Am.Chem.Soc.2014,136,16473-16476.7.Zhu,W.,Zhang,Y.J.,Zhang,H.,Lv,H.,Li,Q.,Michalsky,R.,Peterson,A.A.,Sun,S.,ActiveandselectiveconversionofCO2toCOonultrathinAunanowires.J.Am.Chem.Soc.2014,136,16132-16135.8.Kim,C.,Jeon,H.S.,Eom,T.,Jee,M.S.,Kim,H.,Friend,C.M.,Min,B.K.,Hwang,Y.J.,AchievingSelectiveandEfficientElectrocatalyticActivityforCO2ReductionUsingImmobilizedSilverNanoparticles.J.Am.Chem.Soc.2015,137,13844-13850.9.Reske,R.,Mistry,H.,Behafarid,F.,RoldanCuenya,B.,Strasser,P.,ParticlesizeeffectsinthecatalyticelectroreductionofCO2onCunanoparticles.J.Am.Chem.Soc.2014,136,6978-6986.10.Gao,D.,Zhou,H.,Wang,J.,Miao,S.,Yang,F.,Wang,G.,Wang,J.,Bao,X.,Size-dependentelectrocatalyticreductionofCO2overPdnanoparticles.J.Am.Chem.Soc.2015,137,4288-4291.
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供钯纳米颗粒—活性炭复合材料及其在二氧化碳电催化还原中的应用。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：钯纳米颗粒—活性炭复合材料，由钯纳米颗粒和活性炭组成，采用活性炭加入到分散有钯纳米颗粒的体系中并超声复合。在上述技术方案中，钯纳米颗粒和活性炭的质量比为1：(1—10)，优选1：(4—8)。在上述技术方案中，钯纳米颗粒为钯立方体纳米晶、内凹钯纳米晶或者八面体钯纳米晶，其中钯立方体纳米晶的边长为20nm—25nm；八面体钯纳米晶的边长为21nm—24nm；内凹钯纳米晶的立方体边长为22nm—26nm，Pd纳米晶在每个面上呈现一个平滑的平面凹陷结构，内凹表面与平面之间的角度为18°，对应的表面是(310)晶面。在上述技术方案中，活性炭比表面积220—260m2/g，粒径10—30nm。本专利技术的钯纳米颗粒—活性炭复合材料，以及钯纳米颗粒(钯立方体纳米晶、内凹钯纳米晶或者八面体钯纳米晶)在电催化二氧化碳还原中的应用，对于内凹钯纳米晶在-0.9V可以达到88-92％，对于钯立方体纳米晶可以达到80.5％-81.5％，对于八面体钯纳米晶可以达到67％-73％。本专利技术通过晶种生长法，通过调节前驱体浓度的用量，获得不同配位数表面的催化剂，合成的催化剂颗粒表现出优秀的电催化还原二氧化碳性能。本专利技术的内凹钯纳米晶的{310}表面具有不饱和配位原子，对于反应过程中的中间步骤有促进作用，促进了吸附态羧基的产生，以及吸附态CO的解析，从而实现了在-0.9V的一氧化碳的法拉第效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钯纳米颗粒—活性炭复合材料，其特征在于，由钯纳米颗粒和活性炭组成，采用活性炭加入到分散有钯纳米颗粒的体系中并超声复合，钯纳米颗粒和活性炭的质量比为1：(1—10)。

【技术特征摘要】
1.钯纳米颗粒—活性炭复合材料，其特征在于，由钯纳米颗粒和活性炭组成，采用活性炭加入到分散有钯纳米颗粒的体系中并超声复合，钯纳米颗粒和活性炭的质量比为1：(1—10)。2.根据权利要求1所述的钯纳米颗粒—活性炭复合材料，其特征在于，钯纳米颗粒和活性炭的质量比为1：(4—8)。3.根据权利要求1所述的钯纳米颗粒—活性炭复合材料，其特征在于，活性炭比表面积220—260m2/g，粒径10—30nm。4.根据权利要求1所述的钯纳米颗粒—活性炭复合材料，其特征在于，钯纳米颗粒为钯立方体纳米晶、内凹钯纳米晶或者八面体钯纳米晶，其中钯立方体纳米晶的边长为20nm—25nm；八面体钯纳米晶的边长为21nm—24nm；内凹钯纳米晶的立方体边长为22nm—26nm，Pd纳米晶在每个面上呈现一个平滑的平面凹陷结构，内凹表面与平面之间的角度为18°，对应的表面是(310)晶面。5.如权利要求1—5之一所述的钯纳米颗粒—活性炭复合材料在电催化二氧化碳还原中的应用，其特征在于，对于内凹钯纳米晶在-0.9V达到88-92％，对于钯立方体纳米晶达到80.5％-81.5％，对于八面体钯纳米晶达到6...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩金龙，董浩，张雷，赵志坚，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12