一种碳载过渡金属单原子材料的制备方法及电解装置制造方法及图纸

本申请公开了一种碳载过渡金属单原子材料的制备方法。所述材料为过渡金属单原子锚定氟、氮共掺杂的碳纳米片电催剂(M

【技术实现步骤摘要】
一种碳载过渡金属单原子材料的制备方法及电解装置


[0001]本申请涉及一种碳材料载过渡金属单原子材料的制备方法及其在耦合甘油氧化的电解二氧化碳装置中的应用，属于无机催化剂材料和电化学还原CO2


技术介绍

[0002]化石燃料的大量消耗致使大气中CO2浓度逐年上升，使得生物圈、地球、空气和水之间的动态碳循环平衡被破坏，带来了一系列环境问题，严重威胁了人类的生存和发展。随着越来越多的电能来自于无限的可再生能源，利用电化学转化技术将CO2转化为有价值的燃料分子或者原料分子是降低大气中CO2浓度的有效策略。然而，电化学CO2还原(CO2RR)的商业化应用还面临着产物选择性低、催化剂电极成本高、电解能耗高、阳极析氧反应能耗高且价值低等问题。因此，研制低成本、具备高活性、高选择性、良好稳定性的催化剂材料用于电化学CO2还原，同时寻找一种氧化电势较低且有一定价值的氧化反应取代OER可以降低电解CO2的能耗且同时实现阳极反应价值提升。
[0003]金属单原子锚定掺杂碳材料具有独特的电子和几何结构，在催化过程中表现优异的稳定性和催化活性。当前碳基单原子催化剂的合成存在制备工艺复杂，难以规模化制备，发展高效、快速的制备单原子催化剂的方法合成具有优异性能的单原子催化剂用于高效电催化CO2还原备受关注。此外，丙三醇(甘油)是一种来源丰富、廉价易得的平台分子，通过电化学氧化甘油(GOR)反应，能够很便捷地转化为具高附加值的化学品，如二羟基丙酮(DHA)、甘油酸、甘油醛、乙醇酸、甲酸等。因此，若将GOR耦合到电解CO2中，具有更低氧化电位的GOR取代OER，不仅能够有效降低电解CO2能耗，同时还能进一步提升电解CO2的应用价值。

技术实现思路

[0004]根据本申请的一个方面，提供了一种氟、氮共掺杂碳材料载过渡金属单原子材料的制备方法，该类材料中的氟、氮共掺杂碳材料载镍单原子材料作为电化学二氧化碳还原反应的电催化剂，具有良好的催化效果，其催化的效率高，稳定性好。该类材料的制备方法简单、能大规模生产。
[0005]所述氟、氮共掺杂碳材料载过渡金属单原子材料，其特征在于，过渡金属单原子锚定在F，N共掺杂的多孔纳米碳片上。
[0006]所述氟、氮共掺杂碳材料载过渡金属单原子材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
[0007]a)称取一定比例的金属前驱体、三聚氰胺和聚四氟乙烯微粉(5μm)于研钵中研磨均匀；
[0008]b)将所得初始混合物置于管式炉中，氩气氛围下，经过两步热解法(600℃下保温2小时，然后升温至900℃保温1小时)，得到过渡金属单原子锚定氟、氮共掺杂碳多孔纳米片材料；
[0009]可选地，所述步骤a)中金属前驱体与三聚氰胺的摩尔比为0.1～1：20～200；三聚
氰胺与聚四氟乙烯的质量比为3～15：6～20。
[0010]进一步优选地，步骤a)中加入的金属前驱物、三聚氰胺和聚四氟乙烯微粉比例为：
[0011]1mmol金属前驱物：3g三聚氰胺：6g聚四氟乙烯微粉。
[0012]优选地，步骤b)中第一段热解温度为500～600℃，保持时间为1～2小时。
[0013]优选地，步骤b)中第二段热解温度为800～1000℃，保持时间为0.5～2h。
[0014]进一步优选地，步骤b)中第一段热解温度为600℃，保持时间为2h。
[0015]更进一步优选地，步骤b)第二段热解温度为900℃，保持时间为1h。
[0016]根据本申请的一个实施例，所述的金属单原子锚定氟、氮共掺杂碳多孔纳米片材料的制备方法，包括下述步骤：
[0017](1)称取一定比例的金属前驱体、三聚氰胺和聚四氟乙烯微粉(5μm)于研钵中研磨均匀；
[0018](2)将所得初始混合物置于管式炉中，氩气氛围下，经过两步热解法(600℃下保温2小时，然后升温至900℃保温1小时)，得到金属单原子锚定氟、氮共掺杂碳多孔纳米片材料；
[0019]根据本申请的另一个方面，提供了一种耦合甘油氧化的电解二氧化碳装置，该装置利用甘油氧化反应(GOR)取代析氧反应(OER)，能够有效降低电解CO2能耗，同时还能进一步提升电解CO2的应用价值
[0020]所述装置包括阳极电极片、阴极电极片、阳离子交换膜、阳极室电解液和阴极室电解液；其中，所述阳极电极片包括阳极催化剂，所述阴极催化剂为镍单原子锚定氟、氮共掺杂碳多孔纳米片材料；
[0021]所述的阴极电解液为CO2饱和的KHCO3溶液，所述KHCO3溶液中KHCO3的浓度为0.1～2.0M；所述的阳极电解液为含甘油的碱性溶液；
[0022]可选地，所述阴极室电解液为CO2饱和的KHCO3溶液。
[0023]可选地，所述CO2饱和的KHCO3溶液中KHCO3的浓度为0.1～2.0M
[0024]可选地，所述阴极室电解液中CO2饱和的KHCO3溶液中KHCO3的浓度为2.0M。
[0025]可选地，所述阳极室电解液为含甘油的KOH溶液。
[0026]可选地，所述阳极室电解液的pH为13.0～14.5。
[0027]可选地，所述阳极室电解液中含甘油的KOH溶液中甘油的浓度为2.0M，电解液的pH为14.3。
[0028]可选地，所述阴极电极片为涂布了阴极催化剂的碳纸；所述阳极电极片为原位生长了三维多孔的CoSe2催化剂亲水碳布；
[0029]可选地，所述阴极电极片上阴极催化剂的负载面积占所述碳纸面积的5％～100％。
[0030]可选地，所述阴极电极片上阴极催化剂的负载面积占所述碳纸面积的5％～60％。
[0031]可选地，所述阳极电极片上CoSe2的负载面积占所述亲水碳布面积的5％～100％。
[0032]可选地，所述阳极电极片上CoSe2的负载面积占所述亲水碳布面积的50％～60％。
[0033]可选地，所述阴极电极片中碳纸的尺寸为3cm
×
3cm。
[0034]可选地，所述阴极电极片中阴极催化剂的涂布尺寸为1cm
×
0.5～2cm。
[0035]可选地，所述阴极电极片中阴极催化剂的涂布尺寸为1cm
×
1cm。
[0036]可选地，所述阳极电极片中阳极催化剂的涂布量为1.0～10mg。
[0037]可选地，所述阳极电极片中阳极催化剂的涂布量为5mg。
[0038]根据本申请的一个具体实施方法，所述耦合甘油氧化的电解二氧化碳装置包括以下步骤和方法组装得到：
[0039]步骤一、制备Ni
‑
CNF催化剂材料
[0040](1)称取一定比例的一水合醋酸镍(0.1mmol)、三聚氰胺(3g)和聚四氟乙烯微粉(5μm)(6.0g)于研钵中研磨均匀；
[0041](2)将所得初始混合物置于管式炉中，氩气氛围下，经过两步热解法(室温下2℃/分钟的速率升温至600℃，后在600℃下保温2小时，然本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳载过渡金属单原子材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a)称取过渡金属前驱体、三聚氰胺和聚四氟乙烯于研钵中研磨均匀；所述过渡金属选自Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn中的至少一种；b)将步骤a)中研磨得到的混合物在惰性气氛下热解，得到过渡金属单原子锚定氟、氮共掺杂碳多孔纳米片材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属前驱体包括硝酸盐、醋酸盐和乙酰丙酮盐中的至少一种。3.据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中金属前驱体与三聚氰胺的摩尔比为0.1～1：20～200；三聚氰胺与聚四氟乙烯的质量比为3～15：6～20。4.据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中热解的方式为:在500～600℃下保温1～2小时，再升温至800～1000℃保温0.5～2小时。5.一种电解装置，包括阴极，其特征在于，所述阴极上负载有阴极催化剂，所述阴极催化剂包含权利要求1
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4中所述的任一种制备方法制备得到的氟、氮共掺杂碳材料载过渡金属单原子材料。6.根据权利要求5所述的电解装置，其特征在于，所述电解装置还包括阳极、阳极室和阴极室，阳极室和阴极室之间设有隔膜；所述阴极上进行电催化二氧化碳还原反应，所述阳极上进行电催化甘油氧化反应。7.根据权利要求5所述的电解装...

【专利技术属性】
技术研发人员：温珍海，王根香，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：