【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳捕集、利用与封存(ccus)，具体涉及一种金属硒化物催化电极及其在“工业烟道气电化学碳捕集”过程中的应用。
技术介绍
1、全球约85％的能源依赖于煤炭等化石燃料，而大气中约75％的二氧化碳增加量源于化石燃料的燃烧。过度使用这些化石燃料将导致大量工业废气(即烟道气)的产生。在工业废气中，二氧化碳浓度最高可达20％，排放到大气中后将引发温室效应。面对全球主要经济体陆续提出的二氧化碳排放控制战略。传统的碳捕集方法存在成本高、能耗大的问题，难以大规模推广。而电化学碳捕集通过可再生能源(如太阳能、风能)驱动，能够从空气或工业排放气中捕获并转化二氧化碳，具备较低的能源需求和环境影响。此类技术通常不需要昂贵的化学试剂，不会产生大量热能或副产物，因而具有高效、可持续、低成本的优势。
2、当前，利用可再生能源驱动的二氧化碳还原技术已成为减少温室气体排放和促进碳循环的最具吸引力的方式之一。在电催化还原二氧化碳体系中，将工业烟道气直接作为二氧化碳的电解原料，利用催化电极实现其捕集与转化，可以使二氧化碳还原生成高附加值产品，并对环境污染控制具有重要意义。然而，由于烟道气成分复杂，除二氧化碳外，还含有其他杂质(如氧气)，这些成分会影响电极材料选择和电化学反应的选择性，可能导致催化剂中毒或活性降低。此外，二氧化碳电还原反应本身效率较低，需借助特定催化电极和反应条件提高产物选择性和反应速率。在工业烟道气的低浓度二氧化碳环境下，反应动力学较差，进一步影响了还原效率。因此，实现工业烟道气中二氧化碳的直接高效电还原，需要开发耐杂质、高选
3、本专利技术提供了一种催化电极，以工业烟道气为二氧化碳源，利用可再生能源电力催化二氧化碳转化，有效抑制析氢反应和氧还原反应的发生，具有较高的二氧化碳还原效率和产物选择性，显著降低电解过程的能耗，为工业废气中的碳捕集和转化提供了可行的技术支持。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种硒化物催化电极制备方法，并将其应用于工业烟道气电化学碳捕集。
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下方案：
3、一、硒化物催化电极的制备
4、将金属源、硒源和去离子水在搅拌条件下加入水合肼，制备成溶液a。将导电炭黑分散于去离子水中，通过超声处理形成溶液b。将溶液a与溶液b混合后转入水热反应釜，加热处理至反应完成，之后通过离心分离得到固体产物，并用去离子水多次洗涤。接着对所得固体产物室温下真空干燥。随后，在固体产物中加入高聚物溶液，超声混合形成硒化物油墨。将此油墨涂覆在电极基底上，并烘干，得到负载有硒化物的工作电极。接着，将另一种高聚物溶液与二氧化钛混合加入异丙醇形成分散液，再按一定量涂覆在负载有硒化物的工作电极上并烘干，最终制备出适用于工业烟道气电化学碳捕集的硒化物催化电极。
5、所述金属源为过渡金属(铜、银、锡、镉等)。
6、所述硒源可来自硒粉、氧化硒、硒酸钾、硒化氢等。
7、所述热处理是在120℃～200℃下反应12～48h。
8、所述高聚物溶液可以为nafion、aemion、fumion、sustainion、aquivion、piperion等。
9、所述电极基底可以为碳布、碳纸、聚四氟乙烯基底、泡沫镍、泡沫铜等。
10、所述涂到负载硒化物的工作电极上的高聚物量为0.50～4.13mg·cm-2。
11、二、工业烟道气电化学碳捕集应用
12、在流动池中进行工业烟道气电化学碳捕集测试。将制备的硒化物催化电极作为阴极的工作电极。在还原过程中，需选择合适的电解液及电位窗口进行电催化。
13、所述电解液可以为加入了电解质(如氢氧化钾、碳酸氢钾等)的纯水溶液、醇水溶液(如乙醇、甲醇等)、离子液体(如季铵盐、吡咯盐等)、有机溶剂(如乙腈、乙酸等)。
14、所述还原电位窗口在-0.5v～-3.0v(vs.rhe)。
15、三、硒化物催化电极的表征
16、下面以金属硒化物agcu-se/c为例，通过x射线衍射(xrd)、透射电镜(tem)、选区电子衍射(saed)、扫描电镜(sem)及对应的元素映射(eds mapping)对此催化剂进行表征。
17、(1)xrd表征
18、xrd图像(图1)展示了本专利技术的agcu-se/c催化剂结晶情况。该图显示该催化剂在25°处的峰值归因于炭黑的(002)晶面。agcu-se/c在32.7°和34.3°处观察到的峰可归因于(112)和(121)晶面(pdf#00-045-1290)。非常尖锐的衍射峰表明其结晶度很高。所有xrd结果证实agcu-se/c催化剂的成功制备。
19、(2)tem、sem、saed和eds mapping表征
20、图2为本专利技术的agcu-se/c催化剂在不同倍数下的tem、sem、saed和eds mapping图像。图2a显示了agcu-se/c催化剂为球形黑色颗粒，附着在炭黑的分层表面上。这些纳米球形催化剂为二氧化碳的还原提供了活性位点。图2b可以模糊地显示碳层与agcu-se/c和碳层之间的界面。图2b中的saed插图显示了agcu-se/c催化剂的典型多晶结构。根据图2c，agcu-se/c的tem图像显示了相邻平面之间距离为0.24nm的明显晶格条纹，略小于cu-se/c(220)晶面的晶格间距，这可能是由银的掺杂引起了晶格畸变。图2d显示了agcu-se/c催化剂的sem图像，其表现出相对松散的花簇形状，具有较大的比表面积，为二氧化碳还原提供了较大的接触表面。图2e显示了agcu-se/c的eds mapping图像，表明催化剂中的三种元素cu、se和ag均匀分散在整个炭黑基质中。
21、四、硒化物催化电极的活性测试
22、为了说明制备的硒化物催化电极的性能，下面以金属硒化物agcu-se/c电极为例，进行活性测试。
23、(1)电化学碳捕集性能检测
24、图3(a-b)为本专利技术制备的agcu-se/c催化电极在纯二氧化碳气氛下进行的电化学碳捕集性能检测结果。
25、所述性能检测的具体方法是将agcu-se/c催化电极作为阴极的工作电极、铂片作为对电极、ag/agcl电极作为参比电极，以纯二氧化碳为碳源，在0.1m的khco3的电解液中构建三电极系统，来实现电化学碳捕集。
26、图3a可以看出气相产物中不仅含有氢气，还含有少量的一氧化碳和乙烯。液相产物为乙醇和少量的甲酸。总电流密度随着施加电势的增加而逐渐上升。对于乙醇，图3b所示，在-0.7v时的法拉第效率达到最大值(60.9％)。此外，还说明了乙醇的部分电流密度。在-1.0v的电势下，乙醇的部分电流密度在-1.0ma·cm-2处达到峰值，表明此时二氧化碳转化为乙醇的反应活性最高。
27、图3(c-d)为本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硒化物催化电极的制备方法，步骤如下：
2.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述金属源为过渡金属(铜、银、锡、镉等)。
3.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述硒源可来自硒粉、氧化硒、硒酸钾、硒化氢等。
4.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述热处理是在120℃～200℃温度下反应16～48h。
5.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述高聚物溶液可以为Nafion、Aemion、Fumion、Sustainion、Aquivion、PiperIon等。
6.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述电极基底可以为碳布、碳纸、聚四氟乙烯基底、泡沫镍、泡沫铜等。
7.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述涂到负载硒化物工作电极上的高聚物量为0.50～4.13mg·cm-2。
8.一种如权利要求1所述的硒化物催化电极
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于：步骤中所述电解液可以为加入了电解质(如氢氧化钾、碳酸氢钾等)的纯水溶液、醇水溶液(如乙醇、甲醇等)、离子液体(如季铵盐、吡咯盐等)、有机溶剂(如乙腈、乙酸等)。
10.如权利要求8所述的应用，其特征在于：步骤中所述电位窗口在-0.5V～-3.0V(vs.RHE)范围内。
...【技术特征摘要】
1.一种硒化物催化电极的制备方法，步骤如下：
2.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述金属源为过渡金属(铜、银、锡、镉等)。
3.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述硒源可来自硒粉、氧化硒、硒酸钾、硒化氢等。
4.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述热处理是在120℃～200℃温度下反应16～48h。
5.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述高聚物溶液可以为nafion、aemion、fumion、sustainion、aquivion、piperion等。
6.如权利要求1所述一种硒化物催化电极的制备方法，其特征在于：步骤中所述电极基底可以为碳布、碳纸、聚四氟乙烯基底、泡沫镍、泡沫铜等。...
【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，周玉雪，黄钰懿，施耀安，张翰，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。