一种CO2电解制合成气电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种CO2电解制合成气电极及其制备方法，本发明专利技术通过聚合物和金属盐制备前驱体溶液，前驱体溶液在三维导电基底上碳化形成一体化催化电极，提高了催化层与三维导电基底粘合性，从而提高了催化层稳定性；煅烧使得聚合物起到造孔的作用，使金属催化剂均匀分散在孔壁上，获得的多孔催化剂层具有较高的比表面积和催化活性；前驱体溶液中添加了含氮前驱体，碳化后引入氮位点，形成了金属

【技术实现步骤摘要】
一种CO2电解制合成气电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于气体扩散电极
，具体涉及一种CO2电解制合成气电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]将CO2转变成附加值含碳化学品，不仅能解决环境问题，同时还可以创造经济效益。利用太阳能和风能等绿色电能，将CO2和水电解制备化工重要原料合成气(CO和H2)作为近年研究较热的新兴技术，被认为是实现碳减排和资源化利用的重要方法。作为一种前景光明的新型技术，CO2电解制合成气技术尚需要在多方面继续开发和完善，电还原催化剂和催化电极是研究的重点，是由于电解效果在很大程度上取决于CO2电还原催化剂的性能及催化电极的制备方法。
[0003]现有技术中电解CO2催化剂大都运行时间短，不能满足工业化需求，如文献(Large
‑
scale and highly selective CO
2 electrocatalytic reduction on nickel single
‑
atom catalyst,Joule,2019,3 265
‑
278)制备的镍基催化剂与导电剂、粘结剂负载到碳纸上，用于电还原CO2仅运行24h。文献(Ultrathin Ag nanowires electrode for electrochemical syngas production from carbon dioxide,ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2018,6,7687
‑
7694)制备的柔性银纳米线电极，用于电解CO2制合成气，仅运行十几个小时。现有技术中公开用于电解CO2催化电极的主要制备过程为：先合成电解CO2催化剂，然后把催化剂、粘结剂和溶剂制成浆料，通过粘结剂把催化剂粘附到导电基底上，制备过程复杂且催化层容易从导电基底脱落，导致催化层结构发生改变，从而降低催化剂的使用寿命。特别是在液相电解体系里，不仅析氢明显，在水流冲刷条件下，催化层更易脱落，进一步降低催化剂使用寿命。如专利CN 112609207A(一种用于高效二氧化碳还原的多孔电催化剂的制备方法)公开的把多孔锡基催化剂、导电剂和Nafion溶液制成电极分散液，然后滴加到碳纸电极上，晾干后得到的催化电极，电解CO2运行100h。专利CN 111672505 A(一种银基二氧化碳还原催化剂及其制备方法)使用滴涂方法制备的银基催化电极，电解CO2运行120h以上。使用粘结剂把催化剂粘附到导电基底上形成的催化电极，在电解过程中结构不稳定，催化层容易脱落失活，导致催化剂寿命降低，不能满足商业化的要求。因此需要开发具有稳定结构，同时表现出长使用寿命的催化电极，以满足工业化应用需求。
[0004]鉴于以上原因，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中制备的电极中催化剂层结构不稳定，且寿命短等问题，本专利技术提供了一种CO2电解制合成气电极及其制备方法，本专利技术方法制备的电极为三维多孔金属
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氮
‑
碳一体化催化电极，在电解CO2过程中催化剂层结构稳定，具有较高的电解CO2活性和较长的使用寿命。
[0006]本专利技术的第一目的，提供了一种CO2电解制合成气电极的制备方法，所述的制备方法包括如下步骤：
[0007](1)制备前驱体溶液：将酚醛树脂或聚丙烯树脂溶于乙醇，得到溶液A，将聚醚或聚环氧烷与双氰胺或三聚氰胺溶解在乙醇和水的混合溶液中，得到溶液B，将溶液A和溶液B混合均匀，在温度为20
‑
100℃下加入金属盐，得到前驱体溶液；
[0008](2)担载：将三维导电基底浸渍或涂覆所述的前驱体溶液，干燥，得到电极前驱体；
[0009](3)煅烧：将所述的电极前驱体在保护气氛下进行阶段性升温煅烧，得到煅烧后的电极；
[0010](4)酸洗：将所述的煅烧后的电极进行酸洗，得到所述的CO2电解制合成气电极。
[0011]本专利技术中的聚环氧烷碳原子数为80
‑
20000。
[0012]进一步的，步骤(1)中酚醛树脂或聚丙烯树脂在乙醇中的质量浓度为0.01
‑
0.2g/mL；
[0013]聚醚或聚环氧烷与双氰胺或三聚氰胺在乙醇
‑
水中的混合溶液中的质量浓度为0.01
‑
0.3g/mL，聚醚或聚环氧烷与双氰胺或三聚氰胺的质量比为10:1
‑
1:20，乙醇
‑
水的混合溶液中乙醇和水的体积比为1:4
‑
5:1。
[0014]优选的，步骤(1)中酚醛树脂或聚丙烯树脂在乙醇中的质量浓度为0.05
‑
0.1g/mL；
[0015]聚醚或聚环氧烷与双氰胺或三聚氰胺在乙醇
‑
水中的混合溶液中的质量浓度为0.05
‑
0.15g/mL，乙醇
‑
水的混合溶液中乙醇和水的体积比为3:5
‑
5:3。
[0016]进一步的，溶液A和溶液B的体积比为1
‑
60:5
‑
100。
[0017]进一步的，步骤(1)中所述的金属盐为醋酸镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸铜、硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、硝酸银、醋酸银、甲磺酸银、氯金酸、醋酸锌、硝酸锌和硫酸锌中的一种或几种；
[0018]所述的金属盐中的金属离子在前驱体溶液中的浓度为0.002
‑
0.8mol/L。
[0019]优选的，步骤(1)中所述的金属盐为醋酸镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸铜、硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、硝酸银、醋酸银、甲磺酸银、氯金酸、醋酸锌、硝酸锌和硫酸锌中两种及其以上混合而成；
[0020]所述的金属盐中的金属离子在前驱体溶液中的浓度为0.05
‑
0.2mol/L。
[0021]本专利技术人经过大量试验，发现当金属盐选择两种及其以上混合时，制备的电极具有更稳定的总电流密度和更高的CO选择性。
[0022]进一步的，所述的金属盐中的金属离子在前驱体溶液中的浓度为0.05
‑
0.2mol/L。
[0023]进一步的，步骤(1)中在温度40
‑
60℃下加入金属盐。
[0024]进一步的，步骤(2)中三维导电基底为碳布、碳纸、泡沫镍、泡沫铜、不锈钢网和钛网中的一种制成。
[0025]进一步的，步骤(2)中干燥为先在20
‑
80℃下干燥1
‑
6h，然后在100
‑
140℃下干燥1
‑
48h。
[0026]优选的，步骤(2)中干燥为先在40
‑
60℃下干燥3
‑
4h，然后在100
‑
120℃下干燥20
‑
24h。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种CO2电解制合成气电极的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括如下步骤：(1)制备前驱体溶液：将酚醛树脂或聚丙烯树脂溶于乙醇，得到溶液A，将聚醚或聚环氧烷与双氰胺或三聚氰胺溶解在乙醇
‑
水的混合溶液中，得到溶液B，将溶液A和溶液B混合均匀，在温度为20
‑
100℃下加入金属盐，得到前驱体溶液；(2)担载：将三维导电基底浸渍或涂覆所述的前驱体溶液，干燥，得到电极前驱体；(3)煅烧：将所述的电极前驱体在保护气氛下进行阶段性升温煅烧，得到煅烧后的电极；(4)酸洗：将所述的煅烧后的电极进行酸洗，得到所述的CO2电解制合成气电极。2.根据权利要求1所述的一种CO2电解制合成气电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中酚醛树脂或聚丙烯树脂在乙醇中的质量浓度为0.01
‑
0.2g/mL；聚醚或聚环氧烷与双氰胺或三聚氰胺在乙醇
‑
水中的混合溶液中的质量浓度为0.01
‑
0.3g/mL，聚醚或聚环氧烷与双氰胺或三聚氰胺的质量比为10:1
‑
1:20，乙醇
‑
水的混合溶液中乙醇和水的体积比为1:4
‑
5:1。3.根据权利要求1或2所述的一种CO2电解制合成气电极的制备方法，其特征在于，溶液A和溶液B的体积比为1
‑
60:5
‑
100。4.根据权利要求1或2所述的一种CO2电解制合成气电极的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的金属盐为醋酸镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍、醋酸铜、硝酸铜、硫酸铜、氯化铜、硝酸银、醋酸银、甲磺酸银、氯金酸、醋酸锌、硝酸锌和硫酸锌中的一种或几种；所述的金属盐中的金属离子在前驱体溶液中的浓度为0.002
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0.8mol/L。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：康鹏，张在磊，汪秀萍，
申请(专利权)人：碳能科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：