一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO2还原流动池中的应用技术

本发明专利技术提供了一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO2还原流动池中的应用，属于电催化CO2还原技术领域，其中，所述制备方法为通过将薄木片经低温预碳化、高温碳化得到整体碳膜材料，然后通过采用CO2气体对碳材料进行刻蚀，使其产生碳缺陷，产生的碳缺陷可以直接用作有效的催化活性位点。制得的高缺陷碳膜具有较强的机械稳定性和丰富的碳缺陷活性位点，可直接作为工作电极使用，方便催化剂电极的大规模生产。同时，所述高缺陷碳膜材料能够应用到流动池反应系统进行电催化CO2还原，仅依靠碳缺陷位点便可以取得CO产物高的法拉第效率和电流密度，且经9h稳定性测试后，CO法拉第效率保持率仍有84.5%，具有长时间运行的能力，稳定性良好。好。

【技术实现步骤摘要】
一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO2还原流动池中的应用


[0001]本专利技术属于电催化CO2还原
，具体涉及一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO2还原流动池中的应用。

技术介绍

[0002]缺陷碳基材料结构中的缺陷位点极大地影响了其理化特性，由于表面电荷状态的改变，中间体的吸附自由能的变化以及带隙的减小，碳缺陷位点不仅可以锚定催化剂位点，并且这些缺陷还可以直接作为活性位点进行催化反应，所以缺陷碳基材料电催化剂引起了人们的广泛关注。
[0003]目前多数缺陷碳基催化剂多以炭黑、石墨烯或者其它生物质衍生碳材料作为碳源，制备过程中生产缺陷方式主要有K
+
刻蚀、氮化后通过高温焙烧去除N元素、CO2气体高温刻蚀等方式为主，制得的缺陷碳基催化剂多以粉末状材料为主。这种粉末状缺陷碳基催化剂不能直接作为电极使用，需要将其与粘结剂一起在乙醇溶液中超声分散，制成料浆，随后将其涂敷于碳纸表面制成工作电极，工艺复杂，不仅增加了生产成本，而且在长时间催化反应过程中催化剂的脱落会导致活性位的损失，很难大规模推广应用。
[0004]另外，目前缺陷碳基材料用于电催化CO2还原基本都在H型反应池进行测试，而H型反应池中的传质会严重限制CO2还原反应速率。流动池突破了H型反应池的传质限制，使CO2还原电流密度得到有效提升，但是，目前尚未有将缺陷碳基催化剂应用于流动池中进行电催化CO2还原的先例。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种高缺陷碳膜的简易制备方法，通过两次碳化结合CO2气体高温刻蚀即得到高缺陷碳膜，制得的高缺陷碳膜具有较强的机械稳定性和丰富的碳缺陷活性位点，可直接作为工作电极使用，方便催化剂电极的大规模生产。
[0006]本专利技术还提供一种所述的高缺陷碳膜在电催化CO2还原流动池中的应用。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0008]一种高缺陷碳膜的简易制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将原生椴木沿着垂直于生长方向切成预定大小的薄片，将切好的薄木片放于马弗炉中，先在空气气氛下进行低温预碳化，然后在Ar气氛中进行高温碳化，碳化后的产物经后处理步骤，得到碳膜CW；
[0010](2)将CW放在刚玉舟，刚玉舟放在气氛管式炉中心，采用高纯Ar进行焙烧，保温过程中气体切换为CO2气体，其余过程为Ar气氛，得到高缺陷碳膜CW
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HD。
[0011]优选的，所述步骤(1)中，所述预碳化温度为250
‑
270℃，时间为5.5
‑
6.5h，所述碳化温度为950
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1050℃，时间为5.5
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6.5h，气体流速为40mL/min，两次碳化的升温速率均为4
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5℃/min。
[0012]优选的，所述步骤(1)中，后处理步骤包括对碳化后的产物依次用砂纸进行打磨，用水、乙醇超声清洗干净，然后在真空烘箱进行干燥过夜。
[0013]优选的，所述步骤(2)中，设置管式炉温度为700
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800℃，保温2.5
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3.5h，气体流速为40mL/min，升温速率为4
‑
5℃/min。
[0014]一种由上述方法制备的高缺陷碳膜在电催化CO2还原流动池中的应用。
[0015]优选的，在应用时，将所述高缺陷碳膜CW
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HD置于65
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75℃加热板，用14
‑
16mg/mL的PTFE乳液喷涂于整体电极一侧，每次喷涂50μL，干燥后进行下一步喷涂，累计喷涂0.5mL，干燥后形成疏水层，随后在气流侧加一张疏水碳纸作为气体扩散层直接组装流动池进行测试，流动池测试过程中以1MKOH作为电解液，Nifoam和Ag/AgCl电极分别用作对电极和参比电极，阳极和阴极间用阴离子交换膜隔开。
[0016]由上述技术方案可知，本专利技术提供了一种高缺陷碳膜的简易制备方法及其在CO2还原流动池中的应用，其有益效果是：首先将薄木片经低温预碳化、高温碳化得到整体碳膜材料，两次碳化一方面提高碳材料的结晶程度和导电性，另一方面使碳材料内部形成发达的孔道结构，这种分级多孔结构有利于快速的质量传输，且能够为催化反应提供较大的比表面积，进而有利于提供更多的碳缺陷催化活性位点用于电催化CO2还原，然后再通过采用CO2气体对碳材料进行刻蚀，使其产生碳缺陷，产生的碳缺陷可以直接用作有效的催化活性位点。本专利技术制得的高缺陷碳膜为块状的整体式结构，机械稳定性强，因而在作电极使用时不需要粘结剂和导电添加剂，也不需要制料浆进行涂膜，即可以直接进行测试，制备过程简单，方便工作电极的大规模生产和推广应用。
[0017]同时，本专利技术首次将高缺陷碳膜材料应用到流动池反应系统进行电催化CO2还原。将该高缺陷碳膜进行疏水处理后得到高缺陷碳膜气体扩散电极，进一步组装流动池系统进行测试，测试结果表明，所述高缺陷碳膜仅依靠碳缺陷位点便可以取得CO产物高的法拉第效率和电流密度，且经9h稳定性测试后，CO法拉第效率保持率仍有84.5％，表明其具有长时间运行的能力，稳定性良好。此外，由于整体式结构的电极本身都是催化剂，所以在电催化CO2还原长时间反应后，可直接回收再利用。
附图说明
[0018]图1是高缺陷碳膜的形貌分析结果。
[0019]图2是高缺陷碳膜的成分分析结果。
[0020]图3是高缺陷碳膜疏水处理后的接触角测试结果。
[0021]图4是高缺陷碳膜在CO2还原流动池的催化性能测试结果。
[0022]图5是高缺陷碳膜在CO2还原流动池的催化稳定性测试结果。
具体实施方式
[0023]以下结合本专利技术的附图，对本专利技术实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
[0024]本专利技术提供了一种高缺陷碳膜的简易制备方法，包括以下步骤：
[0025](1)将原生椴木沿着垂直于生长方向切成预定大小的薄片，将切好的薄木片放于马弗炉中，先在空气气氛下进行低温预碳化，然后在Ar气氛中进行高温碳化，碳化后的产物
经后处理步骤，得到碳膜CW；
[0026]在一具体实施方式中，将原生椴木沿着垂直于生长方向切成3.5cm
×
2.2cm
×
2.0mm大小的薄片，将切好的薄木片放于马弗炉中，设置温度为260℃，在空气气氛下进行预碳化6h，然后在管式炉中Ar气氛，气体流速为40mL/min，设置温度1000℃进行碳化6h，两步操作升温速率均设置为5℃/min；所述后处理步骤包括对碳化后的产物依次用砂纸进行打磨，用水、乙醇超声清洗干净，然后在真空烘箱进行干燥过夜，烘箱温度设置为60℃。通过控制两次碳化过程的温度、碳化时间，使薄木片碳化成具有分级多孔的碳材料，其结晶程度高，提升了材料的导电性。
[0027](2)将CW放在刚玉舟，刚玉舟放在气氛管式炉中心，采用高纯Ar进行焙本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高缺陷碳膜的简易制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将原生椴木沿着垂直于生长方向切成预定大小的薄片，将切好的薄木片放于马弗炉中，先在空气气氛下进行低温预碳化，然后在Ar气氛中进行高温碳化，碳化后的产物经后处理步骤，得到碳膜CW；（2）将CW放在刚玉舟，刚玉舟放在气氛管式炉中心，采用高纯Ar进行焙烧，保温过程中气体切换为CO2气体，其余过程为Ar气氛，得到高缺陷碳膜CW
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HD。2. 如权利要求1所述的高缺陷碳膜的简易制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，所述预碳化温度为250
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270℃，时间为5.5
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6.5 h，所述碳化温度为950
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1050℃，时间为5.5
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6.5h，气体流速为40mL/min，两次碳化的升温速率均为4
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5℃/min。3.如权利要求1所述的高缺陷碳膜的简易制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，后处理步骤包括对碳化后的产物依次用砂纸进行打磨，用水、乙醇超声清洗...

【专利技术属性】
技术研发人员：敏世雄，常怀玉，王芳，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：