一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极及其制备方法。该气体扩散电极由憎水化的导电多孔基底如碳纸或碳布等以及催化层构成，催化层以金属酞菁化合物或金属卟啉化合物作为催化活性组分，以碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、纳米石墨粉等中的一种或多种为导电剂、以聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或全氟磺酸树脂作为粘结剂，经过一定工艺在基底上形成催化层，从而构成气体扩散电极。本发明专利技术提出的用于电解二氧化碳制一氧化碳的气体扩散电极，以非贵金属作为活性组分、电极制备工艺简单且可规模化放大，且与同类技术相比具有运行电流密度高和法拉第效率高的明显优势，可应用于各类二氧化碳电化学还原反应器或电解池中作为阴极。解池中作为阴极。解池中作为阴极。

【技术实现步骤摘要】
一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于气体扩散电极
，具体涉及一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极及其制备方法，尤其涉及一种以金属酞菁或金属卟啉化合物或它们的衍生物为催化活性组分的用于二氧化碳电化学阴极还原的气体扩散电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]利用电化学方法将二氧化碳还原转化为一氧化碳、甲酸、甲醇、乙酸、乙醇、以及烃类等化合物，既能减少二氧化碳向大气的直接排放，又能生产燃料和有用的工业化学品，得到了学术界和工业界的广泛关注。与其它方法还原二氧化碳相比，电化学法条件温和，无需高温、高压设备，且易于实现积木式放大，具有明显的优势。
[0003]虽然电化学法还原二氧化碳具有良好的前景，但当前该技术仍有许多障碍亟需解决，如低电流密度、对特定产物的低选择性等。由于二氧化碳电化学还原反应通常在以水溶液作为支持电解液的电极环境中进行，催化剂浸泡在液体电解质中，而二氧化碳在水中的溶解度较低(≈0.03mol kg
‑1)，其从本体溶液扩散到电极表面的距离较长，这使得二氧化碳电化学还原反应电流受到限制。例如，中国专利(公开号：CN110158109A)公开了一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的金属硫化物修饰电极的制备方法。该专利技术用低温等离子体渗硫法，在金属或合金表层渗入硫元素，制得金属硫化物修饰电极。此制备方法得到的电极用于二氧化碳生成一氧化碳，电流效率达到90～97％，但电流密度处于27mA cm
‑2量级的水平。
[0004]为了解决二氧化碳在水溶液中严重的传质极化问题，研究人员将质子交换膜燃料电池领域中的气体扩散电极技术引入到了二氧化碳电化学还原领域中。气体扩散电极是一种多孔电极，其中同时存在气体和液体传质通道，可大幅降低二氧化碳到催化剂表面的传质阻力，可以获得比一般的二氧化碳电化学还原电极更高的电流密度。文献(Coatings,2020,10,341)报道了一种以贵金属银为催化剂的气体扩散电极，用于电化学还原二氧化碳制一氧化碳。结果显示制备的136cm2的银基扩散电极在电解池电压为2.2
‑
2.6V时，转化为一氧化碳的法拉第效率为41.99％
–
57.75％。文献(Materials Research Letters,2021,2,99
‑
104)报道了一种以金为催化剂的气体扩散电极，该电极以100mA cm
‑2的电流密度将二氧化碳还原为一氧化碳。当催化剂层厚度为100nm时，一氧化碳的选择性最高可达80％。中国专利(公开号：CN108636402A)公开一种二氧化碳还原催化材料、气体扩散电极及其制备方法，通过对表面结合有铂纳米粒子的聚多巴胺颗粒进行高温碳化处理来提高还原催化材料的比表面积。此制备方法通过暴露更多铂纳米粒子的活性位点来增大二氧化碳电化学还原催化活性，并有效抑制析氢反应。
[0005]综上所述，当前文献报道以及已经披露的专利中，用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极主要都是基于金、银等贵金属催化剂的电极或制备过程复杂，其成本较高，且电流密度和法拉第效率也有待于进一步提高。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的不足，本专利技术涉及一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极及其制备方法。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008]本专利技术提供了一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极的催化层，包括催化活性组分、导电剂、粘结剂；所述催化活性组分与导电剂的质量比为1:5～5:1；所述催化活性组分选自金属酞菁化合物或金属卟啉化合物或它们的衍生物中的至少一种。
[0009]优选地，所述金属酞菁化合物选自酞菁铁、酞菁钴、酞菁镍、酞菁铜、酞菁铬、酞菁锰、酞菁锌、酞菁锡、酞菁镁、酞菁铅中的一种或多种；
[0010]所述金属卟啉化合物的中心配位元素选自铁、钴、镍、铜、铬、锰、锌、锡、镁、铅中的一种或多种。
[0011]优选地，所述导电剂选自碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、纳米石墨粉中的一种或多种。
[0012]优选地，所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或全氟磺酸树脂中的一种或多种。
[0013]优选地，所述催化活性组分与导电剂的质量比为1:2～2:1。
[0014]优选地，粘结剂的质量为粘接剂和导电剂总质量的10％～40％。
[0015]本专利技术还提供了一种根据前述的催化层的制备方法，包括以下步骤：
[0016]a)将催化活性成分、导电剂和粘结剂混合，得到固体粉料混合物；
[0017]b)向固体粉料混合物中加入分散剂，超声搅拌3～100min，得催化层浆料；
[0018]c)将催化层浆料涂覆至基底上，干燥即得催化层。
[0019]优选地，步骤b)中，所述固体粉料混合物与分散剂的质量比为1:1～200:1；所述分散剂选自无水乙醇；
[0020]步骤d)中，所述涂覆的方法选自空气喷涂、静电喷涂、超声喷涂、刮涂法、丝网印刷法、辊压法中的任一种。
[0021]本专利技术还提供了一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极，包括憎水化的导电多孔基底和前述的催化层。
[0022]优选地，所述导电多孔基底为碳纸、碳布、多孔钛、泡沫镍中的一种或多种经过附加表面平整层处理得到的复合结构。
[0023]优选地，所述气体扩散电极中，催化活性组分的担载量为0.5mg cm
‑2～5mg cm
‑2。更优选催化活性组分的担载量为1mg cm
‑2～4mg cm
‑2。
[0024]本专利技术还提供了一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极的制备方法，包括以下步骤：
[0025]a1)将催化活性成分、导电剂和粘结剂混合，得到固体粉料混合物；
[0026]b1)向固体粉料混合物中加入分散剂，超声搅拌3～100min，得催化层浆料；
[0027]c1)将催化剂浆料涂覆至憎水化的导电多孔基底上，然后60
‑
80℃干燥1
‑
12h即得气体扩散电极。
[0028]优选地，步骤b1)中，所述固体粉料混合物与分散剂的质量比为1:1～200:1；
[0029]步骤d1)中，所述涂覆的方法选自空气喷涂、静电喷涂、超声喷涂、刮涂法、丝网印
刷法、辊压法中的任一种。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0031]1、本专利技术提出一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极及其制备方法，与现有技术相比，由于采用非贵金属材料作为催化剂，可极大地降低成本。另一方面，针对所采用的非贵金属催化剂导电性差的问题，提出采用碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、纳米石墨粉等导电材料构建电子通道，以聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或全氟磺酸树脂等为粘结剂实现了电极成型的同时构建了电极中的气体以及液体的传输通道，从而有效提升采用该气体扩散电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极的催化层，其特征在于：包括催化活性组分、导电剂、粘结剂；所述催化活性组分与导电剂的质量比为1:5～5:1；所述催化活性组分选自金属酞菁化合物或金属卟啉化合物或它们的衍生物中的至少一种。2.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极的催化层，其特征在于：所述金属酞菁化合物选自酞菁铁、酞菁钴、酞菁镍、酞菁铜、酞菁铬、酞菁锰、酞菁锌、酞菁锡、酞菁镁、酞菁铅中的一种或多种；所述金属卟啉化合物的中心配位元素选自铁、钴、镍、铜、铬、锰、锌、锡、镁、铅中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极的催化层，其特征在于：所述导电剂选自碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、纳米石墨粉中的一种或多种；所述粘结剂选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或全氟磺酸树脂中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极的催化层，其特征在于：所述催化活性组分与导电剂的质量比为1:2～2:1。5.根据权利要求1所述的用于二氧化碳电解制一氧化碳的气体扩散电极的催化层，其特征在于：所述催化层中，粘结剂的质量为粘接剂和导电剂总质量的10％～40％。6.一种根据权利要求1所述的催化层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：a)将催化活性成分、导电剂和粘结剂混合，得到固体粉料混合物；...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯长春，万琦琪，章俊良，张龙海，张洋，侯俊波，闫晓晖，夏国锋，殷洁炜，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：