一种金-铁纳米合金催化剂的制备方法及应用技术

一种金‑铁纳米合金催化剂的制备方法及应用，它涉及一种电催化还原CO

Preparation and application of a gold iron nano alloy catalyst

【技术实现步骤摘要】
一种金-铁纳米合金催化剂的制备方法及应用
本专利技术涉及一种电催化还原CO2制CO的催化剂制备方法及应用。
技术介绍
人类过度依赖天然气、煤、石油等自然界不可再生的化石能源来获取燃料和化工原料，这种消耗自然资源用于人类社会发展不但不可持续，而且使大气中的二氧化碳含量快速升高，导致了越来越多的环境问题，如温室效应等，严重威胁着人类的生存和发展。更紧迫的是，随着人口数量的增加、人类寿命的延长、新工艺的发展等因素使得人类对于能量的需求越来越高。气候变化和能源危机已逐渐威胁到人类在地球的生存和繁衍，是当代人必须解决的科学难题。但是CO2变回碳基能源材料的速度远远落后于人类消耗能源材料的速度。2017年2月的检测数据表明，大气中的CO2浓度已高达406ppm，远远超过350ppm的安全上限。以CO2为资源，利用化学法将其还原为碳基能源材料将加速闭合地球碳循环系统，既提供了能源，又降低了CO2在大气中的含量，是解决当前日益恶化的能源和环境问题的一种有效方式。电催化还原CO2因其反应条件温和，不需要高温高压，设备操作灵活，可获得较其他化学转化设备更高的能量利用效率等优点被认为是CO2资源化最有发展前景的一种转化技术。应用不同的金属催化剂可以将CO2还原为多种产物，目前在所有CO2还原催化产物中，考虑到市场价格等因素，CO被认为是最理想的产物，因为CO是费托反应的原料，可用于工业化生产甲烷。目前研究的所有金属催化剂中，贵金属金与银作催化材料对CO2还原为CO具有最高的选择性与催化效率，其中金基催化剂还原CO2为CO的法拉第效率可达90％以上。然而贵金属金在自然界中非常稀少，价格高昂，严重限制了金基催化剂的工业化、规模化的使用。由于纳米材料在一定质量下具有很高的比表面积和催化活性，目前的研究集中于开发新型贵金属纳米材料，通过调控材料的尺寸、形貌以及组分来提高贵金属的催化性能和质量活性，进一步减少贵金属的用量。目前的金基催化剂主要通过调控催化剂的尺寸，表面形貌以及特定位点所占比例等手段得到。尽管催化活性有所提高，但其贵金属金的用量没有显著减少，催化剂的质量活性没有显著提升。且对纳米材料的微观形貌进行调控的反应条件要求极高，步骤复杂，对制备工艺提出了很高的要求，很难满足工业化的实际生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决贵金属金与银作为CO2还原为CO的催化材料存在价格高昂的问题，而提供一种金-铁纳米合金催化剂的制备方法及应用。一种金-铁纳米合金催化剂的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、制表面活性剂溶液：将表面活性剂加入高沸点有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到表面活性剂溶液；所述表面活性剂的质量与高沸点有机溶剂的体积比为(0.006～0.6)g:(1～100)mL；二、混合：向表面活性剂溶液中加入金盐化合物、铁盐化合物和还原剂，在温度为30～80℃和氩气气氛下搅拌混匀，得到混合物；所述金盐化合物的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.0093～0.93)g:(1～100)mL；所述铁盐化合物的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.0088～0.88)g:(1～100)mL；所述还原剂的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.064～0.64)g:(1～100)mL；所述还原剂为醇类化合物；三、水热反应：在氩气气氛下将混合物的温度升高至250～290℃，并在温度为250～290℃和氩气气氛下保温0.5h～3h，再冷却至室温，得到反应产物，向反应产物中加入乙醇，并离心分离，去除上清液，得到固体产物；所述反应产物与乙醇的体积比为1:1～3；四、洗涤、分散：采用乙醇-正己烷的混合液对固体产物清洗2～5次，得到洗涤后产物；将洗涤后产物分散于正己烷中，得到分散液：所述洗涤后产物的质量与正己烷的体积比为(0.0028～0.985)g:(5～500)mL；五、复合：将纳米碳材料加入分散液中，超声混合，再离心分离，去除上清液，得到复合固体产物，将复合固体产物在真空干燥箱中烘干，即得到金-铁纳米合金催化剂；所述纳米碳材料的质量与分散液的体积比为(0.84～84)mg:(1～100)mL。一种金-铁纳米合金催化剂的应用，金-铁纳米合金催化剂作为原料制备工作电极，用于电催化还原CO2制CO。本专利技术原理及优点：一、本专利技术利用金盐化合物和铁盐化合物作为前驱体，醇类化合物作为还原剂，高沸点有机溶剂作为反应溶剂，表面活性剂作为纳米胶束，纳米碳材料作为载体，利用溶剂热合成方法制备金-铁纳米合金催化剂；不仅反应操作简单，灵活性大，还具有优异的催化还原CO2为CO的性能；二、本专利技术将贵金属金与非贵金属铁掺杂，制备的金-铁纳米合金催化剂对CO2还原CO具有很高的选择性与质量活性，在-1.2V的过电位下法拉第效率达到95％，同时降低了金的用量，大大降低了金基催化剂工业化应用的成本。三、本专利技术将纳米碳材料作为金-铁合金纳米粒子的载体。这样既可以降低单位电极面积上催化剂的用量，也可以增加催化剂的导电性，进一步提高其催化性能。由于金-铁纳米粒子紧密吸附在碳材料的表面，均匀分散，防止纳米粒子发生团聚，提高了催化剂的稳定性。附图说明图1是实施例1制备的金-铁纳米合金催化剂的高分辨透射电镜照片；图2是实施例1制备的金-铁纳米合金催化剂的HAADF-STEM图；图3是图2中A区域Au元素的Mapping图；图4是图2中A区域Fe元素的Mapping图；图5是图3和图4的叠加图；图6是实施例1制备的金-铁纳米合金催化剂的EDX元素分析图；图7是X射线衍射谱图，图中a表示实施例1制备的金-铁纳米合金催化剂的X射线衍射谱图，b表示实施例2制备的金-铁纳米合金催化剂的X射线衍射谱图，c表示实施例3制备的金-铁纳米合金催化剂的X射线衍射谱图，pureAu表示金元素的标准卡，pureFe表示铁元素的标准卡，Fe3O4表示Fe3O4表的标准卡；图8是实施例1制备的金-铁纳米合金催化剂的透射电镜图；图9是实施例2制备的金-铁纳米合金催化剂的透射电镜图；图10是实施例3制备的金-铁纳米合金催化剂的透射电镜图；图11催化还原CO2为CO的法拉第效率曲线图，图中▲表示实施例6的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的法拉第效率曲线图，▼表示实施例7的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的法拉第效率曲线图，◆表示实施例8的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的法拉第效率曲线图，●表示实施例8的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的法拉第效率曲线图，■表示实施例10的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的法拉第效率曲线图；图12催化还原CO2为CO的电流密度图，图中▲表示实施例6的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的电流密度图，▼表示实施例7的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的电流密度图，◆表示实施例8的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的电流密度图，●表示实施例8的金-铁纳米合金催化剂催化还原CO2为CO的电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金-铁纳米合金催化剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：/n一、制表面活性剂溶液：将表面活性剂加入高沸点有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到表面活性剂溶液；所述表面活性剂的质量与高沸点有机溶剂的体积比为(0.006～0.6)g:(1～100)mL；/n二、混合：向表面活性剂溶液中加入金盐化合物、铁盐化合物和还原剂，在温度为30～80℃和氩气气氛下搅拌混匀，得到混合物；所述金盐化合物的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.0093～0.93)g:(1～100)mL；所述铁盐化合物的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.0088～0.88)g:(1～100)mL；所述还原剂的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.064～0.64)g:(1～100)mL；所述还原剂为醇类化合物；/n三、水热反应：在氩气气氛下将混合物的温度升高至250～290℃，并在温度为250～290℃和氩气气氛下保温0.5h～3h，再冷却至室温，得到反应产物，向反应产物中加入乙醇，并离心分离，去除上清液，得到固体产物；所述反应产物与乙醇的体积比为1:1～3；/n四、洗涤、分散：采用乙醇-正己烷的混合液对固体产物清洗2～5次，得到洗涤后产物；将洗涤后产物分散于正己烷中，得到分散液：所述洗涤后产物的质量与正己烷的体积比为(0.0028～0.985)g:(5～500)mL；/n五、复合：将纳米碳材料加入分散液中，超声混合，再离心分离，去除上清液，得到复合固体产物，将复合固体产物在真空干燥箱中烘干，即得到金-铁纳米合金催化剂；所述纳米碳材料的质量与分散液的体积比为(0.84～84)mg:(1～100)mL。/n...

【技术特征摘要】
1.一种金-铁纳米合金催化剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、制表面活性剂溶液：将表面活性剂加入高沸点有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到表面活性剂溶液；所述表面活性剂的质量与高沸点有机溶剂的体积比为(0.006～0.6)g:(1～100)mL；
二、混合：向表面活性剂溶液中加入金盐化合物、铁盐化合物和还原剂，在温度为30～80℃和氩气气氛下搅拌混匀，得到混合物；所述金盐化合物的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.0093～0.93)g:(1～100)mL；所述铁盐化合物的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.0088～0.88)g:(1～100)mL；所述还原剂的质量与表面活性剂溶液的体积比为(0.064～0.64)g:(1～100)mL；所述还原剂为醇类化合物；
三、水热反应：在氩气气氛下将混合物的温度升高至250～290℃，并在温度为250～290℃和氩气气氛下保温0.5h～3h，再冷却至室温，得到反应产物，向反应产物中加入乙醇，并离心分离，去除上清液，得到固体产物；所述反应产物与乙醇的体积比为1:1～3；
四、洗涤、分散：采用乙醇-正己烷的混合液对固体产物清洗2～5次，得到洗涤后产物；将洗涤后产物分散于正己烷中，得到分散液：所述洗涤后产物的质量与正己烷的体积比为(0.0028～0.985)g:(5～500)mL；
五、复合：将纳米碳材料加入分散液中，超声混合，再离心分离，去除上清液，得到复合固体产物，将复合固体产物在真空干燥箱中烘干，即得到金-铁纳米合金催化剂；所述纳米碳材料的质量与分散液的体积比为(0.84～84)mg:(1～100)mL。


2.根据权利要求1所述的一种金-铁纳米合金催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述表面活性剂为油胺、油酸或聚乙烯聚吡咯烷酮中一种或几种；所述高沸点有机溶剂为辛醚或十八烯。


3.根据权利要求1所述的一种金-铁纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志江，孙堃，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23