【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电催化，具体涉及一种二氧化碳电催化还原用气体扩散电极及其制备方法和应用。
技术介绍
1、二氧化碳气体的排放造成的温室效应愈发严重，将二氧化碳转化为碳氢化合物是具有应用潜力的二氧化碳消耗路径。电化学催化二氧化碳转化的条件相比热催化更加温和，更具有发展潜力。
2、电化学催化转化二氧化碳的反应器主要有h池、流动池和膜电极。其中，流动池反应器以电流密度高的特点备受关注。然而，流动池反应器的稳定性尚不能达到工业化水平，电解液对气体扩散电极的侵蚀导致电极出现积盐和透液进而造成电极失效的问题始终阻碍流动池反应器的发展。此外，现有技术中气体扩散电极仍然存在稳定性差、电压高以及电流密度低等问题。
3、因此，开发具有稳定性能、可以长时间运行的高性能气体扩散电极是二氧化碳电化学催化还原的重中之重。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种二氧化碳电催化还原用气体扩散电极及其制备方法和应用。本专利技术提供的多层结构的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极可以有效减缓电还原二氧化碳过程中电解液对催化剂层的侵蚀，能长期有效地构建疏水界面和气-液-固三相反应界面，在工业电流密度下能展现出卓越的反应性能和反应持续时间。同时，还表现出较低的电压和较高的电流密度，具有更好的工业应用前景。
2、为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、第一方面，本专利技术提供一种二氧化碳电催化还原用气体扩散电极，按照二氧化碳气体扩散的方向，
4、本专利技术提供的多层结构的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极可以有效减缓电还原二氧化碳过程中电解液对催化剂层的侵蚀，能长期有效地构建疏水界面和气-液-固三相反应界面，在工业电流密度下能展现出卓越的反应性能和反应持续时间。同时，还表现出较低的电压和较高的电流密度，具有更好的工业应用前景。
5、本专利技术中，导电层能提供导电能力，可以获得比磁控溅射物质更好的导电能力，获得更低的电压和更高的电流密度，还能形成疏水层阻止电解液继续渗透，延长运行时间。
6、本专利技术中，催化层能提供反应场所和反应所需的催化剂，相比于磁控溅射制备的催化层，本方法可以增加催化剂的附着力，减少催化剂流失。
7、本专利技术中，碳层不仅可以通过电子效应调控，增强催化活性，提高目标产物的选择性，还可以提供更好的疏水性，延长电极的工作时长。
8、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述碳层为复合碳层，按照二氧化碳气体扩散的方向，所述复合碳层包括依次叠层设置的第一碳层和第二碳层。
9、本专利技术中，通过在催化层的表面依次设置第一碳层和第二碳层，其中第一碳层可以通过电子效应调控，增强催化活性，提高目标产物的选择性；第二碳层可以提供更好的疏水性，延长电极的工作时长。
10、优选地，所述第一碳层的材质包括碳粉、石墨烯或石墨炔中的任意一种或至少两种的组合。
11、优选地，所述第二碳层的材质包括石墨和/或氟化石墨烯；
12、优选地，所述氟化石墨烯中，氟含量为50-60wt.％，例如可以是50wt.％、52wt.％、54wt.％、56wt.％、58wt.％或60wt.％等。
13、优选地，所述第一碳层和第二碳层的负载量的比为(0.5-1.2):(0.5-1.2)，其中，第一碳层的负载量选择范围“0.5-1.2”例如可以是0.5mg/cm2、0.7mg/cm2、0.9mg/cm2或1.1mg/cm2等，第二碳层的负载量选择范围“0.5-1.2”例如可以是0.5mg/cm2、0.7mg/cm2、0.9mg/cm2或1.1mg/cm2等。
14、本专利技术中，若第一碳层和第二碳层的负载量的比过小，则催化剂选择性偏低，析氢副反应升高；若第一碳层和第二碳层的负载量的比过大，则疏水性较差，电极表面容易发生水淹导致电极表面析盐使电极失活。
15、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述基底层为气体扩散层，所述气体扩散层为带有支撑层的聚合物膜。
16、需要说明的是，本专利技术对所述支撑层的材质不作限定，只要是亲水材质即可，例如可以是碳纸等。
17、需要说明的是，本专利技术对聚合物膜的种类不作限定，示例性的，例如可以是聚四氟乙烯膜等。
18、优选地，所述聚合物膜的平均孔径为100-450nm，例如可以是100nm、220nm或450nm等。
19、优选地，所述导电层的材质包括碳粉、碳纳米管或导电碳黑中的任意一种或至少两种的组合。
20、优选地，所述导电层的负载量为1-2.5mg/cm2，例如可以是1mg/cm2、1.5mg/cm2、2mg/cm2或2.5mg/cm2等。
21、优选地，所述催化层中包括铜基化合物和离聚物。
22、优选地，所述铜基化合物包括氧化铜、氧化亚铜或硫化铜中的任意一种或至少两种的组合。
23、需要说明的是，本专利技术对离聚物的种类不作限定，示例性的，例如可以是全氟磺酸离聚物等。
24、需要说明的是，本专利技术对氧化铜的形貌不作限定，示例性的，例如可以是氧化铜纳米片或氧化铜纳米颗粒等。
25、优选地，所述催化层的负载量为2-4mg/cm2，例如可以是2mg/cm2、2.5mg/cm2、3mg/cm2、3.5mg/cm2或4mg/cm2等。
26、第二方面，本专利技术提供一种如第一方面所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
27、在基底层上依次涂覆导电层原料、催化剂和复合碳层的原料，干燥后得到所述二氧化碳电催化还原用气体扩散电极。
28、本专利技术提供的制备方法工艺简单，无需磁控溅射设备，不仅避免了磁控溅射的物质对反应选择性产生的不利影响，还极大地减少了设备投资，降低了实验操作难度，提高了实验的可重复性。
29、作为本专利技术一种优选的技术方案，所述导电层原料的制备方法包括：将导电剂和第一添加剂分散在醇类水溶液中，得到导电层原料。
30、优选地，所述导电剂的颗粒直径小于100nm，例如可以是80nm、60nm或40nm等。
31、优选地，所述导电剂和醇类水溶液的质量体积比为(15-25)mg:1ml，例如可以是15mg:1ml、17mg:1ml、20mg:1ml、23mg:1ml或25mg:1ml等。
32、优选地，所述醇类水溶液包括甲醇溶液和/或异丙醇溶液。
33、优选地，所述醇类水溶液中醇和水的体积比为(2-4):1，例如可以是2:1、3:1或4:1等。
34、优选地，所述第一添加剂包括全氟磺酸离聚物。
35、优选地，所述第一添加剂的浓度为30-50μl/ml，例如可以是30μl/ml、35μl/ml、40μl/ml、45μl/ml或50μl/ml等。
36、优选地，所述第一添加剂的离子交换本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种二氧化碳电催化还原用气体扩散电极，其特征在于，按照二氧化碳气体扩散的方向，包括依次叠层设置的基底层、导电层、催化层和碳层。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极，其特征在于，所述碳层为复合碳层，按照二氧化碳气体扩散的方向，所述复合碳层包括依次叠层设置的第一碳层和第二碳层；
3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极，其特征在于，所述基底层为气体扩散层，所述气体扩散层为带有支撑层的聚合物膜；
4.一种如权利要求1-3任一项所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述导电层原料的制备方法包括：将导电剂和第一添加剂分散在醇类水溶液中，得到导电层原料；
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂的粒径D50为20-500nm；
7.根据权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述复合碳层的原料包括第一碳层的原料和第二碳层的原料；
8.根据权
9.一种如权利要求1-3任一项所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极的应用，其特征在于，所述二氧化碳电催化还原用气体扩散电极用于电催化还原二氧化碳。
10.一种电化学装置，其特征在于，所述电化学装置包括如权利要求1-3任一项所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极。
...【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳电催化还原用气体扩散电极，其特征在于，按照二氧化碳气体扩散的方向，包括依次叠层设置的基底层、导电层、催化层和碳层。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极，其特征在于，所述碳层为复合碳层，按照二氧化碳气体扩散的方向，所述复合碳层包括依次叠层设置的第一碳层和第二碳层；
3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极，其特征在于，所述基底层为气体扩散层，所述气体扩散层为带有支撑层的聚合物膜；
4.一种如权利要求1-3任一项所述的二氧化碳电催化还原用气体扩散电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述导电层原料的制备方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜旺明，董清亭，曲淑玲，王阳，
申请(专利权)人：万华化学集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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