一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴-碳酸铅复合材料的制备方法和应用技术

一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴

【技术实现步骤摘要】
一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种碳气凝胶复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]化石能源的使用虽然给人类带来极大的便利，但同时引起大气中二氧化碳(CO2)浓度会引起大气中二氧化碳浓度的急剧上升，导致气候变化和严峻的环境问题。将CO2转化为有价值的高价值化学品或燃料，可以缓解CO2排放带来的环境问题，并为能源形成补充。电催化CO2还原反应(CO2RR)技术具有操作简单、条件温和等特点，是目前实现人工碳循环一种非常有前景的技术手段。
[0003]甲酸被应用于化工、能源、医药等领域的重要工业原料，如其可以作为工业反应中间体、燃料电池原料、储氢介质等，其作为电催化CO2RR重要的液体产物，反应过程中转移电子数少(2电子)且反应路径简单，是CO2RR技术在商业上最具经济可行的产品之一。电催化剂材料在电催化CO2RR中扮演着关键的角色，近年来研究者们致力于探索将CO2高效转化为甲酸的新型电催化剂。然而，CO2的本质分子惰性影响了CO2RR反应的活性，产物的多样性及竞争析氢反应(HER)降低了对甲酸的选择性，这些因素阻碍电催化CO2转化为甲酸的实际应用。铅基电催化剂材料因为它高的H2过电位和容易吸附HCOO*中间体而被认为是很有前途的CO2RR甲酸电催化剂。但是它在二氧化碳饱和电解液中易被氧化并且在二氧化碳还原阶段又容易被还原而存在价态不稳定问题。据最新研究显示，铅基电催化剂中Pb
2+
是实际的活性位点，但是离子态的铅往往因为最外层电子丢失而使其不利于激活*CO2，因此也阻碍了*CO2向HCOO*的转化，这些都阻碍了二氧化碳向甲酸的还原。因此，研发一种可以调节Pb
2+
失电子环境的电催化剂，来弥补外层失电子环境结构来激活*CO2促进HCOO*的生成对于高效地把CO2转化为工业应用的甲酸产品是非常有必要的，也对缓解CO2造成的环境危机和满足日益增长的化学品需求具有重要的研究意义及应用前景。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是要解决现有方法制备的铅基电催化剂材料在二氧化碳饱和电解液中易被氧化并且在二氧化碳还原阶段又容易被还原而存在价态不稳定，阻碍了二氧化碳向甲酸的还原的问题，而提供一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料的制备方法。
[0005]本专利技术针对现有研究的不足，本专利技术利用来源丰富的海藻酸钠为碳基底原料，利用双金属间丰富的电子环境的相互影响，采用钴掺杂铅来调节Pb
2+
的外部电子结构，使Pb
2+
得到电子以缓解最外层的失电子情况而制备了具有高二氧化碳还原电催化活性的碳气凝胶催化剂，解决现有二氧化碳还原催化剂的选择性差，稳定性差，生成速率严重不足和铅基电催化剂性能不佳的问题，本专利技术制备过程简单，不需要昂贵设备，所得产品性能优异、电化学稳定性好，在二氧化碳还原的推广应用中具有广阔的前景；
[0006]一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
‑
碳酸铅复合材料的制备方法，具体是按以下步骤完成的：
[0007]一、制备海藻酸钠基钴
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铅水凝胶：
[0008]①
、将海藻酸钠溶于去离子水中，搅拌充分，得到海藻酸钠水凝胶；
[0009]②
、配置含Co
2+
与Pb
2+
的盐溶液，搅拌均匀，得到钴
‑
铅盐离子溶液；
[0010]③
、将海藻酸钠水凝胶滴加到钴
‑
铅盐离子溶液中，搅拌均匀，浸泡一定时间后捞出，洗涤，得到海藻酸钠基钴
‑
铅水凝胶；
[0011]二、制备气凝胶：
[0012]将海藻酸钠基钴
‑
铅水凝胶经液氮冷冻后放入冷冻干燥机中冷冻干燥，得到海藻酸钠的钴
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铅气凝胶；
[0013]三、碳化：
[0014]将海藻酸钠的钴
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铅气凝胶放入管式炉中碳化，再使用乙酸溶液浸泡酸洗，取出后使用水清洗，得到钴掺杂氧化铅负载海藻酸钠的碳气凝胶复合材料；将钴掺杂氧化铅负载海藻酸钠的碳气凝胶复合材料浸泡在二氧化碳饱和的0.1mol/L的KHCO3电解液中，得到基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料。
[0015]一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料作为CO2RR催化剂使用。
[0016]本专利技术的原理：
[0017]一、双金属结构具有丰富的电子间相互作用，钴的掺杂对碳酸铅催化位点的电子结构具有优化调控作用，受这种调控作用影响的催化位点倾向于拥有更高效的催化能力；因此，本专利技术利用钴的引入诱导碳酸铅提升CO2RR性能，对构建双金属二氧化碳还原电催化剂，制备低成本的非贵金属二氧化碳还原电催化剂提供了思路，对二氧化碳还原双金属协同电催化剂的设计具有重要的参考意义；
[0018]二、海藻酸钠是一种天然线性高分子多糖，其分子链上含有大量的
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COO基团，
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COO可以和二价金属离子发生螯合作用形成蛋盒结构，从而使海藻酸盐产生凝胶特性，通过离子交换可以制备含不同金属离子的海藻酸盐，钴离子和铅离子通过离子交换与海藻酸钠混合可以得到海藻基钴
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铅水凝胶；经过冷冻干燥后得到了海藻酸钠基钴
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铅气凝胶，对其进行碳化，可以得到钴掺杂氧化铅负载海藻酸钠的碳气凝胶复合材料；有与铅自身的理化性质经进一步浸泡得到基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料；铅的负载量为73.82wt％，钴的掺杂量仅为13.18wt％，可实现CO2RR性能的高催化活性。
[0019]本专利技术的优点：
[0020]一、目前二氧化碳污染日益严峻，甲酸被各行各业所大量需求，因此，开发廉价、高性能的CO2RR催化剂将二氧化碳还原为甲酸具有重要的意义，本专利技术制备方法简单，原料是海洋生物多糖
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海藻酸钠，海藻酸钠是从褐藻中提取出来的，来源广泛、绿色环保、安全性高，钴与铅为非贵金属，价格较低，且掺杂Co量很低，仅为铅的17.8％；
[0021]二、本专利技术方法制备的基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料，通过掺杂少量的非贵金属Co，使其具有很高的CO2RR性能，其在
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0.7V(vs.RHE)电压下达到最高产甲酸的法拉第效率98.15％，体现优异的甲酸路径选择性并且表现出优异的催化稳定性；
[0022]三、本专利技术方法制备的基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料操作过程简单，产率高，可大量合成，不需要昂贵设备，制得的材料性能良好、成本低廉、合成简单、
使用稳定，适合推广，具有广阔的前景；
[0023]四、本专利技术制备的基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料的制备方法，其特征在于该制备方法具体是按以下步骤完成的：一、制备海藻酸钠基钴
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铅水凝胶：
①
、将海藻酸钠溶于去离子水中，搅拌充分，得到海藻酸钠水凝胶；
②
、配置含Co
2+
与Pb
2+
的盐溶液，搅拌均匀，得到钴
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铅盐离子溶液；
③
、将海藻酸钠水凝胶滴加到钴
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铅盐离子溶液中，搅拌均匀，浸泡一定时间后捞出，洗涤，得到海藻酸钠基钴
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铅水凝胶；二、制备气凝胶：将海藻酸钠基钴
‑
铅水凝胶经液氮冷冻后放入冷冻干燥机中冷冻干燥，得到海藻酸钠的钴
‑
铅气凝胶；三、碳化：将海藻酸钠的钴
‑
铅气凝胶放入管式炉中碳化，再使用乙酸溶液浸泡酸洗，取出后使用水清洗，得到钴掺杂氧化铅负载海藻酸钠的碳气凝胶复合材料；将钴掺杂氧化铅负载海藻酸钠的碳气凝胶复合材料浸泡在二氧化碳饱和的0.1mol/L的KHCO3电解液中，得到基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料。2.根据权利要求1所述的一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料的制备方法，其特征在于步骤一
①
中所述的海藻酸钠水凝胶中海藻酸钠的质量分数为1％；步骤一
①
中搅拌充分为搅拌至无气泡。3.根据权利要求1所述的一种基于海藻酸盐的碳气凝胶负载钴
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碳酸铅复合材料的制备方法，其特征在于步骤一
②
中所述的钴
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铅盐离子溶液中Co
2+
的浓度为0.1mol/L，Pb
2+<...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东江，
申请(专利权)人：山西桃气炭长新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：