微米阵列电极结构、制备方法及其用途技术

本申请涉及二氧化碳催化还原技术领域，特别涉及一种微米阵列电极结构、制备方法及其用途，微米阵列电极结构包括：基底，所述基底具有承载面；形成于所述基底的承载面的多个呈阵列分布的微米结构电极，每一个所述微米结构电极的横截面外切圆的直径为30μm

【技术实现步骤摘要】
微米阵列电极结构、制备方法及其用途


[0001]本申请涉及二氧化碳催化还原
，特别涉及微米阵列电极结构、制 备方法及其用途。

技术介绍

[0002]随着经济飞速发展人口迅速增多，全球对能源的需求持续增长，大量化石 燃料的使用导致大气中的二氧化碳浓度快速升高，因此，解决由二氧化碳排放 带来的气候与环境问题已经是摆在人类面前亟待解决的全球性重大问题之一， 其中，二氧化碳资源捕集回收再利用称为现在能源、环境领域最为热门的研究 方向。
[0003]二氧化碳催化还原作为重要的物质能源转化储存技术，主要以催化反应为 主，研发具有高选择性的催化电极是二氧化碳还原技术发展的关键因素之一。 由于一般二氧化碳还原催化剂具有亲水特性，并且长时间反应后电极中的疏水 涂层逐渐失效，导致阳极电解液通过离子交换膜渗透到阴极侧，不断积累造成 电极处于电解液浸泡状态，限制了二氧化碳气体溶解扩散到催化剂表面，导致 电极失效的“水淹”现象，导致二氧化碳还原性能下降，产氢等副反应增大。
[0004]综上可知，如何提供一种微米阵列电极结构及其制备方法来提高电化学二 氧化碳还原性能是本领域技术人员亟需解决的技术问题之一。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种微米阵列电极结构及其制备方法，该微米阵列电极结构 应用于二氧化碳催化还原
，能够提高二氧化碳催化还原时二氧化碳的 还原性能。
[0006]为了达到上述目的：
[0007]第一方面，本申请提供了一种微米阵列电极结构，应用于二氧化碳催化还 原装置，该微米阵列电极结构包括：
[0008]基底，所述基底具有承载面；
[0009]形成于所述基底的承载面的多个呈阵列分布的微米结构电极，每一个所述 微米结构电极的横截面外切圆的直径为30μm
‑
1000μm；
[0010]每一个所述微米结构电极的表面具有催化剂涂层。
[0011]上述微米阵列电极结构中，基底的承载面上设有的微米结构电极，阵列分 布的微米结构电极能够有效的调控微米结构电极表面的亲疏性能，具有优异的 疏水性能，并且，微米结构电极的表面形成的气泡直径普遍偏小，气泡的吸附 数量偏低，微米结构电极能够有效调控电极表面的气泡脱离情况。此外，通过 亲疏水特性调控，可以有效抑制气泡生长、促进产物气体快速脱离电极表面， 并降低气固直接接触形成的界面电阻。同时，较快的气液交换速度能提高催化 电极表面二氧化碳溶解度，抑制因溶解度下降造成的浓差极化，进而能够提高 电化学二氧化碳还原性能。
[0012]优选地，阵列分布的多个所述微米结构电极包括下述结构中的至少一种：
[0013]横截面为圆形的微米结构电极；
[0014]横截面为多边形的微米结构电极。
[0015]优选地，所述多边形包括三角形、四边形、五边形和六边形。
[0016]优选地，所述微米结构电极沿垂直于所述承载面方向的尺寸为10μm
‑ꢀ
1000μm。
[0017]优选地，所述基底沿垂直于所述承载面方向的厚度为1000μm
‑
3000μm。
[0018]优选地，所述催化剂涂层为铜、银、铂、金或其合金涂层。
[0019]优选地，所述多个微米结构电极包括至少两种沿垂直于所述承载面方向尺 寸的微米结构电极。
[0020]优选地，每一个所述微米结构电极中，其朝向所述基底一端的外切圆尺寸 大于其远离所述基底一端的外切圆尺寸。
[0021]第二方面，本申请还提供了一种制备上述微米阵列电极结构的制备方法， 该方法包括：
[0022]采用3D打印工艺制备基底，基底具有承载面；
[0023]采用3D打印工艺在基底的承载面上形成微米结构电极，其中，微米结构 电极呈阵列分布，每一个所述微米结构电极的横截面外切圆的直径为30μ m
‑
1000μm；
[0024]在微米结构电极的表面形成催化剂涂层。
[0025]优选地，所述基底沿垂直于所述承载面方向的厚度为1000μm
‑
3000μm， 所述采用3D打印工艺制备基底，包括：
[0026]按照层厚2μm
‑
40μm打印参数打印适当厚度1000μm
‑
3000μm的基底。
[0027]优选地，所述采用3D打印工艺在基底的承载面上形成微米结构电极，其 中，3D打印为紫外光固化3D打印，包括如下工艺条件中的至少一个：
[0028]光源波长为405nm，曝光时间0.5s
‑
1s，光照强度为10
‑
15，停留时间0.5～4 s。
[0029]优选地，形成催化剂涂层的方法包括：磁控溅射、热蒸镀、化学气相沉积、 电化学沉积、电化学镀膜或化学镀膜，优选磁控溅射。
[0030]第三方面，本申请还提供了一种微米阵列电极结构在二氧化碳催化还原中 的用途。
附图说明
[0031]图1为本申请实施例提供的微米阵列电极结构的立体图；
[0032]图2为本申请实施例提供的微米阵列电极结构的一种结构示意图；
[0033]图3为本申请实施例提供的微米阵列电极结构中包含多种形状微米结构电 极的结构示意图；
[0034]图4为本申请实施例提供的微米阵列电极结构疏水测试实验结果示意图；
[0035]图5为本申请实施例提供的微米阵列电极结构多种形状的微米结构电极气 泡产生测试结果示意图；
[0036]图6是不同微米阵列电极结构光固化样片后的显微照片，不同微米阵列电 极结构分别为：圆锥台，三棱台，四棱台，五棱台，六棱台；
[0037]图7是圆锥台微米阵列电极结构SEM电镜照片和局部放大图；
[0038]图8是商用PTFE电极与微米阵列电极结构电极电化学测试照片：(a)为 商用PTFE
测试照片，(b)为3D打印微结构照片；
[0039]图9是不同微米阵列电极结构高度下电化学测试图；
[0040]图10是不同样品(3D Array，Carbon paper，PTFE)在
‑
1.0vs.RHE条件 下的电流分布图，其中，(a)恒电位测试曲线，(b)气体产物法拉第；
[0041]图11是本申请实施例提供的微米阵列电极结构制造流程图。
具体实施方式
[0042]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0043]请参照图1和图2，本申请提供了一种微米阵列电极结构，应用于二氧化 碳催化还原装置，该微米阵列电极结构包括：
[0044]基底1，所述基底具有承载面11；
[0045]形成于所述基底1的承本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微米阵列电极结构，应用于二氧化碳催化还原，其特征在于，包括：基底，所述基底具有承载面；形成于所述基底的承载面的呈阵列分布的多个微米结构电极，每一个所述微米结构电极的横截面外切圆的直径为30μm
‑
1000μm；每一个所述微米结构电极的表面具有催化剂涂层。2.根据权利要求1所述的微米阵列电极结构，其特征在于，阵列分布的多个所述微米结构电极包括下述结构中的至少一种：横截面为圆形的微米结构电极；横截面为多边形的微米结构电极。3.根据权利要求2所述的微米阵列电极结构，其特征在于，所述多边形包括三角形、四边形、五边形和六边形。4.根据权利要求2所述的微米阵列电极结构，其特征在于，所述微米结构电极沿垂直于所述承载面方向的尺寸为10μm
‑
1000μm。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的微米阵列电极结构，其特征在于，所述基底沿垂直于所述承载面方向的厚度为1000μm
‑
3000μm。6.根据权利要求1
‑
4任一项所述的微米阵列电极结构，其特征在于，所述催化剂涂层为铜、银、铂、金或其合金涂层。7.根据权利要求1
‑
4任一项所述的微米阵列电极结构，其特征在于，所述多个微米结构电极包括至少两种沿垂直于所述承载面方向尺寸的微米结构电极。8.根据权利要求1
‑
4任一项所述的微米阵列电极结构，其特征在于，每一个所述微米...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘释元，张策，姚伟，王兆龙，冯德强，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：