陰極催化劑，陰極材料及其制備方法及反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種陰極催化劑，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，包括一第一催化劑層以及一第二催化劑層，所述第二催化劑層設(shè)置在所述第一催化劑層表面，其中，所述第二催化劑層為一多孔結(jié)構(gòu)。所述第一催化劑層和所述第一催化劑層之間為物理結(jié)合且所述第一催化劑層和所述第一催化劑層的材料不同。本發(fā)明還涉及一種用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的的陰極材料，該陰極材料包括上述陰極催化劑。本發(fā)明還涉及一種用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括采用上述陰極材料。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種上述陰極材料的制備方法。
【專利說明】陰極催化劑，陰極材料及其制備方法及反應(yīng)器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種陰極催化劑，陰極材料及其制備方法，以及包含該陰極材料的反應(yīng)器，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用。
【背景技術(shù)】
[0002]以化石能源為核心的資源枯竭問題和以氣候變化為核心的環(huán)境問題是當(dāng)前人類面臨的兩大危機(jī)。自工業(yè)革命以來的上百年里，大量使用化石能源導(dǎo)致其資源短缺，對環(huán)境也產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響，以地球變暖為核心的全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為威脅人類可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當(dāng)今國際社會關(guān)注的熱點(diǎn)。大量含碳能源的消耗加快了CO2排放速度，打破了自然界CO2循環(huán)的平衡，造成CO2在大氣中的積累，一方面形成溫室效應(yīng)引起氣候變化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源將CO2轉(zhuǎn)化成含碳的化工原料或燃料則是實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵課題。
[0003]目前，資源化利用CO2主要通過化學(xué)轉(zhuǎn)化、光化學(xué)還原、電化學(xué)還原、生物轉(zhuǎn)化、CO2與甲烷的重構(gòu)或CO2的無機(jī)轉(zhuǎn)化等方式進(jìn)行。由于CO2是不活潑分子，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，因此利用化學(xué)轉(zhuǎn)化需要在高溫以及高壓條件下進(jìn)行，而且CO2的轉(zhuǎn)化率和回收率都不高，目前還難以商業(yè)化應(yīng)用。
[0004]與其他CO2轉(zhuǎn)化利用路線相比，電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化頗具吸引力。電化學(xué)還原0)2在常溫常壓下即可進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)條件溫和且操作簡單。另外，在電化學(xué)還原過程中，可通過電壓、電流、溫度等調(diào)節(jié)反應(yīng)的選擇性，有助于對產(chǎn)物的選擇性合成。在電化學(xué)還原CO2的過程中，陰極材料中催化劑的性能是決定電化學(xué)還原CO2效率的決定性因素之一。現(xiàn)有技術(shù)中用于電化學(xué)還原CO2的陰極材料中通常采用單一的金屬或合金催化劑，然而在實(shí)際反應(yīng)過程中存在反應(yīng)活性較低，析氫嚴(yán)重，材料性能不穩(wěn)定等問題，從而造成CO2的轉(zhuǎn)化率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，確有必要提供一種用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化，反應(yīng)活性較高，且具有較高轉(zhuǎn)化率的陰極催化劑、包含該陰極催化劑的陰極材料，以及應(yīng)用該陰極材料的反應(yīng)器以及轉(zhuǎn)化利用方法。
[0006]一種陰極催化劑，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，包括一第一催化劑層，以及一第二催化劑層設(shè)置在所述第一催化劑層表面，其中，所述第二催化劑層為一多孔結(jié)構(gòu)。
[0007]—種陰極材料，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，包括所述陰極催化劑。
[0008]一種反應(yīng)器，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，包括:一電源；一腔體；一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽極室；一陽極設(shè)置在所述陽極室內(nèi)，以及一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)；所述電源的兩端分別與所述陰極與陽極電連接；所述陰極包括所述陰極材料。
[0009]一種陰極材料的制備方法，該陰極材料用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，包括以下步驟:配置一電鍍沉積液；以一第一催化劑片為電鍍陰極，以及一第二催化劑材料為電鍍陽極在所述電鍍沉積液中進(jìn)行電沉積，使所述第二催化劑材料沉積在所述第一催化劑片上形成一鍍層，其中所述第一催化劑片和第二催化劑材料選用不同的材料；以及干燥該具有鍍層的第一催化劑片，形成所述陰極材料，其中，該陰極材料中所述鍍層為一多孔結(jié)構(gòu)，且該鍍層與所述第一催化劑片之間為物理結(jié)合。
[0010]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明實(shí)施例采用一雙催化劑層作為二氧化碳電化學(xué)還原的陰極催化劑，并且其中一催化劑層為多孔結(jié)構(gòu)，該兩層催化劑層的材料不同且之間為物理結(jié)合，從而在該兩層催化劑層的界面結(jié)合處可以產(chǎn)生較好的協(xié)同效應(yīng)，從而一方面可以提高該陰極催化劑的穩(wěn)定性和催化活性，另一方面在二氧化碳轉(zhuǎn)化過程中可以有效地抑制析氫反應(yīng)，提高二氧化碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的生成效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的陰極催化劑的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的陰極催化劑中第二催化劑層的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的陰極催化劑的結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖。
[0014]圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的陰極材料的結(jié)構(gòu)側(cè)視不意圖。
[0015]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的陰極材料的制備方法的流程圖。
[0016]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化的錫銅陰極催化劑中錫金屬層的掃描電鏡照片。
[0018]圖8為本發(fā)明實(shí)施例在不同電沉積電流密度下制得的錫銅陰極催化劑作為陰極的循環(huán)伏安測試對比圖。
[0019]圖9為本發(fā)明實(shí)施例在為本發(fā)明實(shí)施例在不同電沉積時(shí)間下制得的錫銅陰極催化劑作為陰極的循環(huán)伏安測試對比圖。
[0020]主要元件符號說明
【權(quán)利要求】
1.一種陰極催化劑，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，其特征在于，該陰極催化劑包括一第一催化劑層以及一第二催化劑層，該第二催化劑層設(shè)置在所述第一催化劑層表面，所述第二催化劑層為一多孔結(jié)構(gòu)，所述第一催化劑層和所述第一催化劑層之間為物理結(jié)合且所述第一催化劑層和所述第一催化劑層的材料不同。
2.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述陰極催化劑為一自支撐結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述第一催化劑層為一連續(xù)且厚度均勻的層狀結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述第一催化劑層為一多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述多孔結(jié)構(gòu)具有多個(gè)均勻分布的微孔，所述微孔的孔徑為10納米至10微米。
6.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率為40%至90%。
7.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述第一催化劑層的厚度為100納米至200微米。
8.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述第一催化劑層的材料包括鋅、鎘、銦、錫、鉛、秘、鈕、鉬、銅、銀、以及金。
9.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述第二催化劑層的材料包括鋅、鎘、銦、錫、鉛、秘、鈕、鉬、銅、銀、以及金。
10.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述第一催化劑層的材料為銅，所述第二催化劑層的材料為錫。
11.如權(quán)利要求1所述的陰極催化劑，其特征在于，所述陰極催化劑包括多層所述第一催化劑層或多層所述第二催化劑層，或同時(shí)包括多層所述第一催化劑層以及多層所述第二催化劑層。
12.如權(quán)利要求11所述的陰極催化劑，其特征在于，所述多層第一催化劑層與所述多層第二催化劑層之間交替層疊設(shè)置。
13.一種陰極材料，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，其特征在于，該陰極材料包括如權(quán)利要求1-12中任意一項(xiàng)所述的陰極催化劑。
14.如權(quán)利要求13所述的陰極材料，其特征在于，所述陰極材料進(jìn)一步包括一導(dǎo)電支撐層，所述陰極催化劑設(shè)置在所述導(dǎo)電支撐層表面。
15.如權(quán)利要求13所述的陰極材料，其特征在于，所述導(dǎo)電支撐層為一具有多個(gè)通孔的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
16.如權(quán)利要求15所述的陰極材料，其特征在于，所述導(dǎo)電支撐層為一三維立體結(jié)構(gòu)，該導(dǎo)電支撐層的厚度為2毫米至30毫米。
17.一種反應(yīng)器，用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，包括: 一電源； 一腔體； 一電解質(zhì)隔膜設(shè)置在該腔體中，并將該腔體分隔為陰極室以及陽極室； 一陽極設(shè)置在所述陽極室內(nèi)；以及一陰極設(shè)置在所述陰極室內(nèi)； 所述電源的兩端分別與所述陰極與陽極電連接，所述陰極包括一陰極材料，其特征在于，該陰極材料包括如權(quán)利要求1-12中任意一項(xiàng)所述的陰極催化劑。
18.如權(quán)利要求17所述的反應(yīng)器，其特征在于，所述第一催化劑層設(shè)置在所述第二催化劑層與所述電解質(zhì)隔膜之間。
19.一種陰極材料的制備方法，該陰極材料用于二氧化碳電化學(xué)還原轉(zhuǎn)化利用，包括以下步驟: 配置一電鍍沉積液； 以一第一催化劑片為電鍍陰極，以及一第二催化劑材料為電鍍陽極在所述電鍍沉積液中進(jìn)行電沉積，使所述第二催化劑材料沉積在所述第一催化劑片上形成一鍍層，其中所述第一催化劑片和第二催化劑材料選用不同的材料；以及 干燥該具有鍍層的第一催化劑片，形成所述陰極材料，其中，該陰極材料中所述鍍層為一多孔結(jié)構(gòu)，且該鍍層與所述第一催化劑片之間為物理結(jié)合。
20.如權(quán)利要求19所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述多孔結(jié)構(gòu)具有多個(gè)均勻分布的微孔，所述微孔的孔徑為10納米至10微米。
21.如權(quán)利要求19所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述電鍍沉積液通過如下步驟配置: 提供一絡(luò)合劑以及一酒石酸鹽； 并將所述絡(luò)合劑與所述酒石酸鹽混合 形成一混合液；以及 將一主鹽溶于所述混合液中，形成所述電鍍沉積液，該主鹽含有所述第二催化劑材料元素。
22.如權(quán)利要求21所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述電鍍沉積液在小于40°C的溫度環(huán)境下進(jìn)行配置。
23.如權(quán)利要求21所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，進(jìn)一步包括加入至少一添加劑的步驟，所述添加劑用于增強(qiáng)所述電鍍陰極的極化。
24.如權(quán)利要求21所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，進(jìn)一步包括加入一表面活性劑的步驟，所述表面活性劑用于所述電鍍陰極以及電鍍陽極與所述電鍍沉積液間的界面張力。
25.如權(quán)利要求21所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述絡(luò)合劑與所述酒石酸鹽的摩爾比為3:1至20:1。
26.如權(quán)利要求19所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述電沉積在溫度不超過60 oC的環(huán)境下進(jìn)行。
27.如權(quán)利要求19所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述電沉積在一恒定電流密度下進(jìn)行，所述電流密度為5毫安/平方厘米至30毫安/平方厘米。
28.如權(quán)利要求19所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述所述電沉積的時(shí)間可為I分鐘至50分鐘。
29.如權(quán)利要求19所述的陰極材料的制備方法，其特征在于，所述干燥的溫度小于等于 60oC。
【文檔編號】C25D7/00GK103849885SQ201210517797
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月6日
【發(fā)明者】郭建偉, 趙晨辰, 何向明, 王莉, 李建軍, 高劍 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)（深圳）有限公司