将二氧化碳还原成合成气的非金属碳催化剂及制备和应用

技术领域

本发明涉及非金属碳材料催化剂技术领域，尤其是涉及一种将二氧化碳还原成合成气的非金属碳催化剂及制备和应用。

背景技术

合成气(H

可再生能源驱动的电化学CO

虽然过渡金属基催化剂在ECO

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述缺陷而提供一种将二氧化碳还原成合成气的非金属碳催化剂及制备和应用，属于二氧化碳电还原制备合成气(H

本发明使用原材料廉价易得、制备工艺简单、成本低、能够高效催化CO

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种将二氧化碳还原成合成气的非金属碳催化剂的制备方法，具体步骤如下：

(1)依次在冰醋酸溶液中加入炭黑和壳聚糖，冷冻干燥后得到初产物；

(2)将步骤(1)中得到的初产物进行高温煅烧后得到非金属碳材料粉末；

(3)将步骤(2)中得到的非金属碳材料粉末与Nafion溶液、异丙醇和超纯水混合后得到非金属碳催化剂。

进一步地，步骤(1)中，炭黑：冰醋酸溶液：壳聚糖＝1g：0.01～5L：0.01～100g。

进一步地，步骤(1)中，所述冷冻干燥温度为-30至-50℃，冷冻干燥时间为40～60h，优选为48h。

进一步地，步骤(1)中，所述炭黑用量为0.01-1.0g。

进一步地，步骤(1)中，所述冰醋酸溶液用量为10-50mL。

进一步地，步骤(1)中，所述壳聚糖用量为0.01-1.0g。

进一步地，步骤(1)中，将炭黑作为碳源，加入冰醋酸溶液中，超声分散溶解，得到分散液；然后在分散液中加入壳聚糖，再将混合物超声分散溶解得到均匀溶液；将均匀溶液冷冻干燥后得到初产物。

上述更进一步地，所述超声时间为0.5-2h。

进一步地，步骤(2)中，所述高温煅烧温度为600至900℃，时间为1～3h，优选为2h。

进一步地，步骤(2)中，在步骤(1)中的反应结束后，将步骤(1)中得到的初产物研磨均匀，研磨后的初产物粉末在N

上述更进一步地，所述干燥温度不低于80℃。

进一步地，步骤(3)中，非金属碳材料粉末：Nafion溶液：异丙醇：超纯水＝1mg：1～250μL：40～500μL：100～700μL。

进一步地，步骤(3)中，所述非金属碳材料粉末用量为1-5mg。

进一步地，步骤(3)中，所述Nafion溶液质量百分比浓度不低于5％，用量为5-250μL。

进一步地，步骤(3)中，所述异丙醇用量为200-500μL。

进一步地，步骤(3)中，所述超纯水用量为500-700μL。

进一步地，步骤(3)中，将步骤(2)中得到的非金属碳材料粉末与Nafion溶液、异丙醇和超纯水混合，在常温下进行超声后得到非金属碳催化剂。

上述更进一步地，所述超声时间为0.5-3h。

本发明还提供一种将二氧化碳还原成合成气的非金属碳催化剂，由上述制备方法制备得到。

此外，本发明还提供一种将二氧化碳还原成合成气的非金属碳催化剂的应用，将上述制备方法制备得到的非金属碳催化剂涂覆至载体材料上，干燥后得到催化电极，利用电化学方法，通过改变电压，将二氧化碳转化为比例可调的合成气。

进一步地，所述载体材料为碳布或镍网。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明选取炭黑为前驱体和壳聚糖为N源，通过冷冻干燥和高温煅烧的方式得到非金属碳材料粉体，所合成的非金属碳材料催化剂在宽电位范围内可实现0.5-5比例的H

2.本发明制备的非金属碳材料催化剂可以在可持续能源电力波动的情况下生成的相似比例H

3.本发明方法制备的基于电化学还原二氧化碳的非金属碳材料催化剂，原料来源广、低成本高效益，可大规模生产和产业化。

附图说明

图1为本发明实施例1方法制备具有二氧化碳电还原制备比例可调的H

图2为本发明实施例1方法制备具有二氧化碳电还原制备比例可调的H

图3为本发明实施例1方法制备具有二氧化碳电还原制备比例可调的H

图4为本发明实施例1方法制备的具有二氧化碳电还原制备比例可调的H

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例中提供一种将二氧化碳还原成合成气的非金属碳催化剂的制备方法，采用冷冻干燥和高温煅烧的方法，将炭黑和壳聚糖制备成非金属碳催化剂，具体步骤如下：

(1)选择0.05g炭黑作为碳源，加入0.1％(10mL)冰醋酸溶液中，超声分散溶解0.5h得到分散液；然后向分散液中加入0.15g壳聚糖，超声分散溶解0.5h得到混合溶液；将均匀混合溶液在-30℃下冷冻干燥48h后得到初产物。

(2)在所述步骤(1)中的反应结束后，将得到的初产物研磨均匀，研磨后的粉末放置于坩埚内，在管式炉中于600℃的N

(3)称量2mg在所述步骤(2)中得到的非金属碳材料粉末，5μL质量百分比浓度为5％的Nafion溶液、750μL异丙醇和250μL的超纯水的混合液，置于常温超声混合1h后得到非金属碳催化剂。

CO

将制得的非金属碳催化剂墨水均匀的涂覆至碳布上，静置风干，使碳材料粉体颗粒结合在载体表面，得到催化电极。CO

本实施例中所制得的样品经仪器检测进行表征，其结果如下：

利用场发射透射电子显微镜观察步骤(2)制得非金属碳材料，可看到其形貌呈纳米颗粒形式，见图1。利用原子力显微镜验证了其纳米颗粒态，见图2。利用傅里叶变换红外光谱仪测量本实施例制得碳材料的表面官能团，得到碳材料的表面胺基官能团，见图3。非金属碳材料催化剂在宽电位范围内显示出显著的CO

本实施例采用冷冻干燥和高温煅烧的方法，将炭黑和壳聚糖制备成非金属碳材料催化剂，按一定比例配置成墨水形式催化剂产品，利用电化学方法在不同电位下可以实现CO

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

(1)选择0.1g炭黑作为碳源，加入0.1％(20mL)冰醋酸溶液中，超声分散溶解0.5h得到分散液；然后向分散液中加入0.30g壳聚糖，超声分散溶解0.5h得到混合溶液；将均匀混合溶液在-40℃下冷冻干燥48h后得到初产物。

(2)在所述步骤(1)中的反应结束后，将得到的初产物研磨均匀，研磨后的粉末放置于坩埚内，在管式炉中于700℃的N

(3)称量3mg在所述步骤(2)中得到的非金属碳材料粉末，10μL质量百分比浓度为5％的Nafion溶液、800μL异丙醇和200μL的超纯水的混合液，至于常温超声混合1h后得到非金属碳催化剂。

将制得的非金属碳催化剂墨水均匀的涂覆至碳布静置风干，使碳材料粉体颗粒结合在载体表面，得到催化电极。CO

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

(1)选择0.15g炭黑作为碳源，加入0.1％(30mL)冰醋酸溶液中，超声分散溶解0.5h得到分散液；然后向分散液中加入0.45g壳聚糖，超声分散溶解0.5h得到混合溶液；将均匀混合溶液在-50℃下冷冻干燥48h后得到初产物。

(2)在所述步骤(1)中的反应结束后，将得到的初产物研磨均匀，研磨后的粉末放置于坩埚内，在管式炉中于800℃的N

(3)称量5mg在所述步骤(2)中得到的非金属碳材料粉末，20μL质量百分比浓度为5％的Nafion溶液、800μL异丙醇和200μL的超纯水的混合液，至于常温超声混合1h后得到非金属碳催化剂。

将制得的非金属碳催化剂墨水均匀的涂覆至碳布静置风干。CO

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，特别之处在于：

(1)选择0.2g炭黑作为碳源，加入0.1％(40mL)冰醋酸溶液中，超声分散溶解0.5h得到分散液；然后向分散液中加入0.60g壳聚糖，超声分散溶解0.5h得到混合溶液；将均匀混合溶液在-50℃下冷冻干燥48h后得到初产物。

(2)在所述步骤(1)中的反应结束后，将得到的初产物研磨均匀，研磨后的粉末放置于坩埚内，在管式炉中于900℃的N

(3)称量4mg在所述步骤(2)中得到的非金属碳材料粉末，15μL质量百分比浓度为5％的Nafion溶液、850μL异丙醇和150μL的超纯水的混合液，至于常温超声混合1h后得到非金属碳催化剂。

将制得的非金属碳催化剂催化剂墨水均匀的涂覆至碳布静置风干，使碳材料粉体颗粒结合在载体表面，得到催化电极。CO

综上所述，上述实施例应用于CO

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。