气体扩散电极及其制备方法和应用以及电化学装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及电化学催化领域，公开了一种气体扩散电极及其制备方法和应用以及一种电化学装置。所述气体扩散电极包括气体扩散层和负载于所述气体扩散层的催化剂，所述催化剂含有Cu和Cu2O两相结构，其中Cu2O的晶体结构中掺杂有Al元素。本发明专利技术提供的气体扩散电极具有优异的催化性能，可以高效地将CO2还原为多碳产物，提高多碳产物的收率，并且能够提高含氧多碳产物的比例。物的比例。物的比例。

【技术实现步骤摘要】
气体扩散电极及其制备方法和应用以及电化学装置


[0001]本专利技术涉及电化学催化领域，具体涉及一种气体扩散电极及其制备方法和应用以及一种电化学装置。

技术介绍

[0002]随着现代化工业的发展，大气中的CO2浓度与日俱增，这对自然界的碳循环造成了显著破坏，并引发了如温室效应、海平面上升和海洋酸化等一系列的生态环境问题。
[0003]CO2是主要的温室气体，同时也是丰富、无毒、及可再生的C1资源。因此，高效地转化和利用CO2是促进人为碳循环闭环和推进可持续发展的有力途径。目前主要通过电化学催化、生物催化、光催化和热催化等手段来进行CO2的转化。其中，由于反应条件温和、反应产物可控、反应过程绿色清洁以及电力来源可再生(太阳能、风能、核能)等优势，电化学催化转化CO2的方法受到了广泛的关注。
[0004]电化学催化CO2将其还原为多碳产物是一个需要多步电子转移质子耦合的动力学缓慢过程，相比于其它C1产物(如一氧化碳，甲酸等)，CO2深度还原得到具有更高附加值的多碳产物的选择性和产率还比较低。影响这一过程的一个已知限制因素是水溶液介质中的CO2溶解度较低(在1个大气压和25℃的条件下约为33mmol/L)，因此CO2的传质受限是首先需要解决的问题。气体扩散电极极大地改善了CO2气体传输特性，通过构建气液固三相界面，提升了CO2传输到催化剂表面的能力。得益于此，局部CO2浓度显著提升，不仅促进了碳碳耦合过程，同时也可以大幅度提升反应的电流密度，进而达到满足工业化应用的需要。
[0005]在电化学催化中，电催化剂是影响CO2还原为多碳产物的核心因素，面向多碳产物设计并制备出具有高活性、高选择性和长寿命的电催化剂是CO2电转化研究领域的难题。
[0006]目前，铜基催化剂被认为是最具潜力的深度还原CO2的催化剂材料，但是由于析氢反应和CO2还原反应的电位接近，且铜对于氢中间体的吸附能力适中，CO2还原与析氢过程之间存在显著竞争，因此现有的铜基催化剂在将CO2还原为多碳产物方面的性能仍有待提升。
[0007]另外，在电化学催化CO2还原路径中，含氧多碳产物(例如乙醇)和非含氧产物(例如乙烯)会经历相同的反应中间体，因此目前将CO2还原为多碳产物的反应过程中通常难以表现出对特定产物的选择性，即难以实现含氧多碳产物的选择性。因此，需要进行催化剂的结构设计或改性，从而进一步实现含氧多碳产物的选择性。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的电化学催化CO2还原为多碳产物时催化效率低、选择性差等问题，提供一种气体扩散电极及其制备方法和应用以及一种电化学装置。该气体扩散电极具有优异的催化性能，可以高效地将CO2还原为多碳产物，提高多碳产物的收率，并且能够提高含氧多碳产物的比例。
[0009]本专利技术的专利技术人在研究过程中发现，通过在铜基催化剂中含有Cu和Cu2O两相结构，并原位掺杂铝元素，使得Al元素进入Cu2O的晶体结构中，与常规的铜基催化剂相比，能
够显著提高多碳产物的生成量，并且在此基础上还可以进一步实现对含氧多碳产物的选择性，由此完成了本专利技术。
[0010]为此，本专利技术第一方面提供一种气体扩散电极，所述气体扩散电极包括气体扩散层和负载于所述气体扩散层的催化剂，其中，所述催化剂含有Cu和Cu2O两相结构，且Cu2O的晶体结构中掺杂有Al元素。
[0011]优选地，在所述催化剂中，所述Cu2O的(200)晶面间距大于无掺杂的Cu2O(200)晶面间距；更优选地，所述Cu2O的(200)晶面间距为0.215
‑
0.225nm。
[0012]优选地，在所述催化剂中，以Cu、O和Al的原子总数计，Cu原子的含量为60
‑
75％，O原子的含量为25
‑
37％，Al原子的含量为1
‑
3％；更优选地，在所述催化剂中，以Cu、O和Al的原子总数计，Cu原子的含量为68
‑
72％，O原子的含量为26
‑
30％，Al原子的含量为2
‑
2.5％。
[0013]优选地，相对于1cm2的所述气体扩散层，以铜元素计的所述催化剂的负载量为0.8
‑
1mg，更优选为0.86
‑
0.89mg。
[0014]优选地，所述气体扩散层为碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸和PTFE膜中的一种或多种，更优选为碳纤维纸。
[0015]本专利技术第二方面提供一种气体扩散电极的制备方法，其中，该方法包括以下步骤：
[0016]1)在水和络合剂的存在下，将铝盐和铜盐进行第一接触，得到第一接触产物；
[0017]2)将第一接触产物与碱进行第二接触，得到第二接触产物；
[0018]3)将第二接触产物进行焙烧处理，得到预催化剂；
[0019]4)将所述预催化剂负载于所述气体扩散层，并在碱性条件下进行电化学还原处理。
[0020]优选地，步骤1)中，所述络合剂为柠檬酸钠、乙二胺四乙酸二钠和酒石酸钠中的一种或多种，更优选为柠檬酸钠。
[0021]优选地，所述铝盐为硝酸铝、氯化铝、硫酸铝、醋酸铝以及它们的水合物中的一种或多种，更优选为九水合硝酸铝。
[0022]优选地，所述铜盐为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜、乙酰丙酮铜以及它们的水合物中的至少一种，更优选为三水合硝酸铜。
[0023]优选地，所述铝盐与所述铜盐的摩尔比为1:1
‑
10，更优选为1:2
‑
4。
[0024]优选地，所述络合剂与以所述铝盐和所述铜盐之和计的摩尔比为1:1
‑
10，更优选为1:4
‑
5。
[0025]优选地，步骤2)中，所述碱选自NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3、NaHCO3和KHCO3中的一种或多种；更优选为Na2CO3和NaOH的混合物。
[0026]优选地，所述Na2CO3和NaOH的混合物中，NaOH和Na2CO3的摩尔比为1:1.5
‑
2.5。
[0027]优选地，所述碱以碱的水溶液的形式使用。
[0028]优选地，所述碱的水溶液的浓度为0.1
‑
5mol/L，更优选为0.5
‑
2mol/L。
[0029]优选地，所述碱的水溶液为Na2CO3和NaOH的混合水溶液。
[0030]优选地，所述碱的加入量使得反应体系的pH为9
‑
10。
[0031]优选地，所述第二接触的时间为0.1
‑
10h，更优选为0.5
‑
3h。
[0032]优选地，步骤4)中，所述电化学还原处理在二氧化碳还原反应条件下进行。
[0033]优选地，所述电化学处理在pH为10以上的条件下进行。
[0034]优选地，所述气体扩散层为碳纤维纸、碳纤维编织本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体扩散电极，所述气体扩散电极包括气体扩散层和负载于所述气体扩散层的催化剂，其特征在于，所述催化剂含有Cu和Cu2O两相结构，其中Cu2O的晶体结构中掺杂有Al元素。2.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其中，在所述催化剂中，所述Cu2O的(200)晶面间距大于无掺杂的Cu2O(200)晶面间距；优选地，所述Cu2O的(200)晶面间距为0.215
‑
0.225nm。3.根据权利要求1或2所述的气体扩散电极，其中，在所述催化剂中，以Cu、O和Al的原子总数计，Cu原子的含量为60
‑
75％，O原子的含量为25
‑
37％，Al原子的含量为1
‑
3％；优选地，在所述催化剂中，以Cu、O和Al的原子总数计，Cu原子的含量为68
‑
72％，O原子的含量为26
‑
30％，Al原子的含量为2
‑
2.5％。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的气体扩散电极，其中，相对于1cm2的所述气体扩散层，以铜元素计的所述催化剂的负载量为0.8
‑
1mg，优选为0.86
‑
0.89mg。5.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的气体扩散电极，其中，所述气体扩散层为碳纤维纸、碳纤维编织布、无纺布、碳黑纸和PTFE膜中的一种或多种，优选为碳纤维纸。6.一种气体扩散电极的制备方法，其特性在于，该方法包括以下步骤：1)在水和络合剂的存在下，将铝盐和铜盐进行第一接触，得到第一接触产物；2)将第一接触产物与碱进行第二接触，得到第二接触产物；3)将第二接触产物进行焙烧处理，得到预催化剂；4)将所述预催化剂负载于所述气体扩散层，并在碱性条件下进行电化学还原处理。7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，步骤1)中，所述络合剂为柠檬酸钠、乙二胺四乙酸二钠和酒石酸钠中的一种或多种，优选为柠檬酸钠；优选地，所述铝盐为硝酸铝、氯化铝、硫酸铝、醋酸铝以及它们的水合物中的一种或多种，更优选为九水合硝酸铝；优选地，所述铜盐为硝酸铜、氯化铜、硫酸铜、醋酸铜、乙酰丙酮铜以及它们的水合物中的至少一种，更优选为三水合硝酸铜；优选地，所述铝盐与所述铜盐的摩尔比为1:1
‑
10，更优选为1:2
‑
4；优选地，所述络合剂与以所述铝盐和所述铜盐之和计的摩尔比为1:1
‑
10，更优选为1:4
‑
5。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张礼兵，孙晓甫，韩布兴，冯佳奇，宋馨宁，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：