用于气体扩散电极的胺官能化银纳米粒子制造技术

本发明专利技术公开了一种电极及其制备方法。例如，制造电极的方法包括制备包含胺官能化银纳米粒子和溶剂的沉积组合物，以及将该沉积组合物沉积到导电基板上。该电极可以部署在气体扩散电极中。散电极中。散电极中。

【技术实现步骤摘要】
用于气体扩散电极的胺官能化银纳米粒子
[0001]本公开整体涉及膜电极组件，更具体地涉及用于各种转化系统的具有胺官能化银纳米粒子的气体扩散电极。

技术介绍

[0002]温室气体(GHG)(如CO2)的排放引起地球臭氧层的消耗和全球温度升高，从而对人类健康、农业和水资源产生不利影响。为了减轻全球气候变化，全世界的兴趣已集中于CO2捕获和利用领域(CCU)，其中将CO2电催化转化成增值化学品和合成燃料是有吸引力的方法之一。使用合适的电催化剂和反应条件，包括超电势、反应温度和电解质等，CO2可电化学转化为各种产物，例如一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、甲酸(HCOOH)、甲醇(CH3OH)和乙醇(C2H5OH)等。
[0003]在当前阶段，将CO2电化学转化为CO是最有前景的反应之一，这是由于该反应的高技术可行性和经济可行性。在该反应中，合成气(CO和H2)可以以能量有效的方式产生，然后用作原料以通过费
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托合成方法生产合成烃。

技术实现思路

[0004]根据本文所示的方面，提供了膜电极组件和用于制造膜电极组件的电极的方法。实施方案的一个公开特征是一种方法，该方法包括制备包含胺官能化银纳米粒子和溶剂的沉积组合物，以及将沉积组合物沉积到导电基板上。
[0005]实施方案的另一公开特征是制造气体扩散电极的另一种方法。该方法包括制备胺官能化银纳米粒子；制备可喷射油墨形式的胺官能化银纳米粒子；将胺官能化银纳米粒子印刷到碳基板上；以及在碳基板上烧结胺官能化银纳米粒子以在小于3.5伏特(V)的超电势下以大于60％的法拉第效率、大于98％的选择性实现二氧化碳至一氧化碳的期望转化。
[0006]实施方案的另一个公开特征是一种膜电极组件。该方法包括印刷阴极，该阴极包含喷涂到碳基板上的烧结的胺官能化银纳米粒子，该碳基板在小于3.5伏特的电池电势下在二氧化碳流动室中以大于60％的法拉第效率转化二氧化碳，其中一氧化碳的选择性大于98％；耦合到所述阴极的离子交换膜；以及耦合到该离子交换膜的阳极。
附图说明
[0007]通过结合附图考虑以下具体实施方式可以容易地理解本公开的教学内容，在附图中：
[0008]图1示出了具有本公开的气体扩散电极的示例性膜电极组件的分解框图；
[0009]图2示出了用于将胺官能化的银纳米粒子喷射到碳基板上以制造本公开的气体扩散电极的示例性打印机的框图；
[0010]图3示出了用于制造本公开的气体扩散电极的示例性方法的流程图；
[0011]图4示出了用于制造本公开的气体扩散电极的另一示例性方法的流程图；
[0012]图5示出了具有和不具有胺官能化银纳米粒子在烧结和不烧结的情况下的不同气
体扩散电极的SEM图像；
[0013]图6示出了对于不同烧结条件的法拉第效率对电池电势的曲线图；
[0014]图7示出了对于不同烧结条件的能量效率对电池电势；
[0015]图8示出了对于不同烧结条件的电流密度对电池电势；
[0016]图9示出了对于不同烧结条件的单程转化率对电池电势；
[0017]图10示出了对于不同烧结条件的一氧化碳反应选择性对电池电势；
[0018]图11示出了对于胺官能化银纳米粒子的各种未烧结应用的法拉第效率对电池电势的图；
[0019]图12示出了对于胺官能化银纳米粒子的各种未烧结应用的能量效率对电池电势；
[0020]图13示出了对于胺官能化银纳米粒子的各种未烧结应用的电流密度对电池电势；并且
[0021]图14示出了对于胺官能化银纳米粒子的各种未烧结应用的单程转化率对电池电势。
[0022]为了便于理解，在可能的情况下已经使用了相同的附图标号来指定附图共有的相同元件。
具体实施方式
[0023]本公开广泛地公开了具有胺官能化银纳米粒子的示例性气体扩散电极及其制造方法。如上所述，世界范围内对使用将CO2电催化转化成增值化学品和合成燃料的CCU存在兴趣。
[0024]电化学转化过程的关键是具有高效率和高选择性以及长期稳定性的电催化剂。近年来，包括Au、Ag、Zn、Pd、Ga等的能够选择性地将CO2还原为CO的电催化剂的开发取得了显著的进步。在所有候选物中，银显示出用于大规模应用的最高潜力，这归因于其适度的成本和用于CO生产的高催化选择性。尽管对Ag基电催化剂进行了广泛研究，但以简单、可规模化和成本有效的方式，开发在降低的超电势下具有增强的催化选择性的材料，仍存在挑战。
[0025]本公开使用胺官能化银纳米粒子作为气体扩散电极中的电催化剂用于CO2的电催化转化。纳米结构银催化剂与它们的本体对应物相比已经显示出改进的性能，因为它们在纳米材料的边缘和角上提供质量输送优点和更高的活性位点。通过调节纳米材料的组成、尺寸、形态、孔隙率和表面改性，可以针对特定应用调节纳米结构催化剂行为。
[0026]表面改性是改善催化性能的有效方法之一。研究表明，官能分子可降低超电势或改善CO选择性，例如胺封端的Ag纳米粒子通过稳定COOH*中间体而显示更好的催化性能。
[0027]将此类电催化剂整合到膜电极组件(MEA)中是获得期望产物的另一关键步骤。典型的MEA包括两个气体扩散层(GDL)和离子交换膜，其中催化剂颗粒分散在界面处，并且其生产类似于印刷中使用的各种卷对卷生产方法。尽管在开发用于CO2转化系统的MEA方面进行了大量努力，但是制造具有低成本、高标准性能和可调性质的MEA仍然是具有挑战性的。
[0028]本公开提供了使用胺官能化银纳米粒子电催化剂制备用于电化学还原的MEA的可扩展方法，该胺官能化银纳米粒子电催化剂是有效的、选择性的并且具有可调的催化性质。合成胺官能化银纳米粒子并将其配制成催化剂油墨，该催化剂油墨经由连续印刷/涂覆方法沉积在GDL上。在相对低的超电势下证明了具有高法拉第效率和对CO的选择性的MEA的制
造。气体扩散电极的电化学性能可通过在不同温度下烧结胺改性的AgNP来调节。
[0029]图1示出了包括本公开的气体扩散电极104的示例性膜电极组件100。膜电极组件100可以是用于将化合物转化成不同的所需化合物的流动电池电催化转化器的一部分。本公开的气体扩散电极104可在较低电池电势下提供高效的可缩放电极(例如，使用较少功率来执行转化)。
[0030]可由膜电极组件100执行的一个示例性转化是将二氧化碳(CO2)转化为一氧化碳(CO)和氢气(H2)。然而，应当注意，气体扩散电极104可以用于在流动电池电催化转化器的背景下的其它类型的化合物的电催化转化。
[0031]在一个实施方案中，膜电极组件100包括具有气体扩散电极104的阴极102、阴离子交换膜106和具有氧化铱电极110的阳极108。在一个实施方案中，入口112可通过阴极102供给CO2，并且出口114可携带CO和H2离开阴极102。入口116可以通过阳极108供给电解质(例如，KHCO3、KOH、KCl等)，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制造电极的方法，所述方法包括：制备包含胺官能化银纳米粒子和溶剂的沉积组合物；以及将所述沉积组合物沉积到导电基板上。2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括：将所述胺官能化银纳米粒子烧结在所述导电基板上。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述烧结在约60摄氏度(℃)至约200℃的温度下进行。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述胺官能化银纳米粒子用具有胺官能团的化合物制备。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述胺官能团包括以下中的至少一者：丁胺、戊胺、己胺、庚胺、辛胺、壬胺、癸胺、十六烷基胺、十一烷基胺、十二烷基胺、十三烷基胺、十四烷基胺、二氨基戊烷、二氨基己烷、二氨基庚烷、二氨基辛烷、二氨基壬烷、二氨基癸烷、二氨基辛烷、二丙胺、二丁胺、二戊胺、二己胺、二庚胺、二辛胺、二壬胺、二癸胺、甲基丙胺、乙基丙胺、丙基丁胺、乙基丁胺、乙基戊胺、丙基戊胺、丁基戊胺、三丁胺或三己胺。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂是非极性的并且包含以下物质中的至少一者：十氢化萘、甲苯、环己烷、乙基环己烷、苯基环己烷、联环己烷、二甲苯或丁醇。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积包括：用可移动打印头将所述沉积组合物喷涂到所述导电基板上。8.一种电极，所述电极包括：导电基板；以及位于所述导电基板的表面上的烧结的胺官能化银纳米粒子。9.根据权利要求8所述的电极，其中所述导电基板包括碳基板。10.根据权利要求8所述的电极，其中约95％至约5％的胺保留在所述烧结的胺官能化银纳米粒子中，所述烧结的胺官能化纳米粒子来自胺官能化银纳米粒子的沉积组合物。11.根据权利要求10所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱昱洁，B，
申请(专利权)人：施乐公司，
类型：发明
国别省市：