一种多孔炭负载的Ni-N-C催化电极的应用及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多孔炭负载的Ni

【技术实现步骤摘要】
一种多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极的应用及其制备方法


[0001]本专利技术属于气体扩散电极
，具体涉及一种多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极的应用及其制备方法。

技术介绍

[0002]在CO2排放导致的环境问题日益凸显的二十一世纪，利用可再生能源过剩电力驱动电化学还原CO2(Reduction reaction of CO2，CO2RR)是将CO2转化为可再生燃料(如CO、HCOOH、C2H4等)的一条极具商业前景的道路，其优势在于不仅能够实现“负碳”，还可以获得高附加值的可再生燃料。实验室规模的CO2RR相关研究中，往往使用高纯的CO2气体作为反应物，经过对催化剂、电极、反应器结构等方面的优化设计，膜电极组件(Membrane electrode assembly，MEA)电解槽进行CO2RR的产率已经很高。但需要明确的是，由烟气或空气生产高纯气态CO2的过程包含有几个能源密集型步骤(即CO2解吸、压缩和分离)，这些步骤带来的能耗和经济损失严重阻碍了当前技术的商业应用。
[0003]最近的研究表明，用MEA反应器直接电解CO2捕集液(如碳酸氢盐)，可以避免上述能量密集型步骤，为直接电解高纯气态CO2技术提供了一条更优的替代路径。电解碳酸氢盐的电解槽使用双极膜(Bipolar membrane，BPM)将水分解为H
+
和OH
‑
，H
+
运输到阴极/BPM界面，与HCO3‑
反应，在局部形成高浓度的气态CO2，这些气态的CO2在气体扩散电极表面的催化活性位点处被还原为CO等含碳化合物。在电解碳酸氢盐体系中，纳米Ag电极及其相关结构优化的尝试已见报道，然而，纳米Ag颗粒容易团聚，使得催化活性位点的利用率较低，并且反应过程中催化剂的快速失活使得竞争性析氢反应(Hydrogen evolution reaction，HER)严重，导致反应转化率低、产物选择性差。此外，Ag作为贵金属，带来的系统成本也不容小觑。因此寻找廉价、高效的电解碳酸氢盐催化剂以替代Ag基催化剂，是一项重要的工作。在供应高纯气态CO2的CO2RR研究中，氮掺杂碳载体上负载Ni原子(Nickel
‑
nitrogen
‑
carbon，Ni
‑
N
‑
C)的催化剂因Ni原子与N元素可以形成特定的Ni
‑
N配位结构，促进CO2RR并抑制HER，能够实现95％以上的CO法拉第效率，并且成本低廉，吸引了众多学者的注意。但由于电解高纯气相CO2的CO2RR体系与电解碳酸氢盐体系在CO2供应、电极所处环境等方面的诸多不同，导致电解高纯气相CO2的CO2RR体系和电解碳酸氢盐体系中物质传输和能量传递的不同；Ni
‑
N
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C催化剂对CO2RR的良好催化活性还未在电解碳酸氢盐体系中获得广泛证实。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的主要目的在于提供一种多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极的应用，旨在解决现有电解碳酸氢盐体系中，使用的催化剂纳米Ag颗粒成本高，且容易团聚，进而导致反应转化率低、产物选择性低等问题。本专利技术还提供了该多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极的制备方法。
[0005]本专利技术中的Ni
‑
N
‑
C催化剂，以碳材料作为催化剂的载体，不仅承担着导电的作用，其孔隙结构也直接关系到催化剂活性位点的分布以及反应物和产物的传输，进而影响
CO2RR反应的活性和速度。同时通过选择适用于电解碳酸氢盐体系的催化剂载体，设计了高效、稳定的Ni
‑
N
‑
C催化剂，尽可能多地暴露反应位点、促进界面处的质量和电子转移，进而提升电解碳酸氢盐的法拉第效率和稳定性。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极在电解碳酸氢盐中的应用。
[0008]在某些具体实施例中，所述多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极包括大孔结构、介孔结构和微孔结构的微米级空隙结构，且所述多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化剂的电极的比表面积为150
‑
600m2/g。
[0009]一种多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极的制备方法，包括以下步骤：
[0010]将50mgNi
‑
N
‑
C催化剂和0.1mL Nafion分散于15mL无水乙醇中，经过10min超声分散得到均匀的催化剂浆料；再将催化剂浆料用喷涂法负载于4cm2的干净的碳纸表面，催化剂负载量2.0
±
0.2mg/cm2。
[0011]一种多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0012]1)将四水乙酸镍和一水合菲罗啉溶于有机溶剂中，在室温条件搅拌均匀后加入多孔炭材料中，加热反应，随后干燥，得到混合固体；
[0013]2)将步骤1)所得的混合固体与无机氮源混合，然后在惰性气氛中进行高温热解，随后对高温热解后的固体粉末进行清洗、干燥，所得产物即为活性炭负载的Ni单原子催化剂。
[0014]优选地，其中所述四水乙酸镍、一水合菲罗啉和活性炭的质量比为1：(2
‑
5)：(2
‑
5)。
[0015]优选地，其中步骤1)中所述加热反应条件为：50
‑
70℃水浴加热3
‑
5h并搅拌，所述干燥条件为：75
‑
85℃干燥10
‑
15h。
[0016]优选地，其中所述惰性气氛为N2气氛，所述多孔炭材料为活性炭或者炭黑中的一种，所述无机氮源为尿素。
[0017]优选地，其中所述高温热解具体为：在惰性气氛下以8
‑
12℃/min的升温速率加热至50
‑
70℃并保持1
‑
3h，再以3
‑
6℃/min的升温速率加热至750
‑
900℃，保持温度0.5
‑
1.5h。
[0018]优选地，其中所述清洗条件为：采用10％稀盐酸，水浴温度为70
‑
90℃。
[0019]优选地，其中所述混合固体与尿素的质量比为1：(3
‑
6)；所述四水乙酸镍与有机溶剂的配比为100mg：(10
‑
20)ml。
[0020]与现有技术相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔炭负载的Ni
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N
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C催化电极在电解碳酸氢盐中的应用。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极包括大孔结构、介孔结构和微孔结构的微米级空隙结构，且所述多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化剂的电极的比表面积为150
‑
600m2/g。3.一种多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将50mgNi
‑
N
‑
C催化剂和0.1mL Nafion分散于15mL无水乙醇中，经过10min超声分散得到均匀的催化剂浆料；再将催化剂浆料用喷涂法负载于4cm2的干净的碳纸表面，催化剂负载量2.0
±
0.2mg/cm2。4.一种多孔炭负载的Ni
‑
N
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C催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将四水乙酸镍和一水合菲罗啉溶于有机溶剂中，在室温条件搅拌均匀后加入多孔炭材料中，加热反应，随后干燥，得到混合固体；2)将步骤1)所得的混合固体与无机氮源混合，然后在惰性气氛中进行高温热解，随后对高温热解后的固体粉末进行清洗、干燥，所得产物即为活性炭负载的Ni单原子催化剂。5.根据权利要求4所述的多孔炭负载的Ni
‑
N
‑
C催化剂的制备方法，其特征在于，所述四水乙酸镍、一水合菲罗啉和活性炭的质量比为1：(2
‑
5)：(2
‑
5)。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正峰，范永春，李伟科，付乾，谢雨杭，朱恂，廖强，
申请(专利权)人：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司重庆大学，
类型：发明
国别省市：