一种用于电催化还原反应的碳纳米管基多孔中空纤维电极及应用

技术领域

本发明属于电化学技术领域，涉及一种用于电催化还原反应的碳纳米管基多孔中空纤维电极及应用。

背景技术

电还原氧气、二氧化碳和氮气等是污染治理、能源转化和化学品合成等领域的重要反应，该技术利用清洁高效的电子作为反应剂，常温常压下将气体小分子转化为高价值化学品，实现资源化和能源化利用、减污降碳，具有操作简单、条件温和、环境友好等特点，例如电还原氮气合成氨、电还原二氧化碳和氮气合成尿素，能解决工业合成氨或尿素条件苛刻、能耗高、产生大量碳排放的瓶颈，节能减排。目前电还原反应的催化活性和效率低、稳定性差是限制其应用的主要因素，而解决这一问题的关键是开发一种高效的电催化还原材料。

电还原氧气、二氧化碳和氮气等是气-固-液三相界面反应，传统的电极采用溶液爆气方式导致传质受限、反应界面处的气体浓度低，限制了反应的速率和效率。气体扩散电极能克服传质受限的问题，目前的气体扩散电极主要通过粉体催化剂和聚合物粘结剂的混合液涂覆在商业气体扩散电极基底上形成平面电极，比如基于石墨烯、碳纳米管、金属氧化物、多孔碳和贵金属(Pt、Au、Ag等)等材料的平面气体扩散电极，专利CN114790555A公开了一种硒掺杂多孔碳基氮还原电催化剂，通过将非贵金属负载在高比表面积的支撑体材料来提高电化学还原活性；尽管取得了一定的进展，但还存在以下不足：聚合物粘结剂的使用会阻碍催化剂活性位点的暴露，长期运行催化剂易脱落和水淹，降低反应活性。因此，开发一种高效和稳定、组分地球上含量丰富的电催化还原电极是非常重要的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，通过改善催化剂自身结构，提供一种高效和稳定的具有自支撑结构的碳纳米管基多孔中空纤维电极，用于电催化还原氧气、二氧化碳和氮气等领域。

电还原氧气、二氧化碳和氮气在污染治理、能源转化和化学品合成等减污降碳领域起着重要作用，而缺乏性能优良的催化材料是限制其应用的主要因素。碳纳米管基多孔中空纤维电极，是中空纤维由内向外爆气、不使用粘结剂的自支撑气体扩散电极，可解决上述平面气体扩散电极有效催化活性位点少、不稳定的瓶颈。同时，本发明制备的碳纳米管基多孔中空纤维电极，比表面积高、导电性好、内腔爆气形成的微纳米气泡提升三相界面处气体浓度，有利于进一步提高电催化还原性能。

本发明的技术方案：

一种用于电催化还原反应的碳纳米管基多孔中空纤维电极，该碳纳米管基多孔中空纤维电极具有自支撑多孔中空纤维管状结构，管外径为500～1500μm，管壁为交错网孔结构，壁厚50～600μm，孔隙率为50～95％，内腔通气，能形成尺寸10nm～20μm的微纳米气泡。

所述的碳纳米管基多孔中空纤维电极主要由单壁碳纳米管，多壁碳纳米管，氧化修饰碳纳米管，氮、磷、硫、氟中一种或两种以上元素掺杂碳纳米管中一类或两类以上构成，碳纳米管基多孔中空纤维电极上负载金属、金属氧化物、稀土元素、石墨烯、碳量子点、石墨炔、多孔碳、Mxene、MOF中一种或两种以上催化剂。

将上述的碳纳米管基多孔中空纤维电极作为工作电极的应用，施加恒电位或电流，应用于电催化还原氧气、二氧化碳和氮气的电催化还原反应。

所述的工作电极为碳纳米管基多孔中空纤维电极为一根或多根并联。

本发明的有益效果：

1、碳纳米管基多孔中空纤维电极是自支撑结构，具有反应活性和效率高、稳定性好等优点。

2、多孔中空纤维电极的微纳米孔道具有纳米限域效应，可提高目标产物的选择性和反应效率。

3、多孔中空纤维电极由内腔向外爆气，降低扩散层厚度、加速传质，形成微纳米气泡增加气体反应物在反应界面的浓度和停留时间，提高电催化还原性能。

4、碳纳米管基多孔中空纤维电极的主要成分是地壳中含量丰富的碳元素，而且材料非常稳定，能够多次重复使用，易于实现大规模应用。

附图说明

图1(a)是本发明的碳纳米管基多孔中空纤维电极的实物图；

图1(b)是本发明的碳纳米管基多孔中空纤维电极的结构示意图。

图2是本发明的碳纳米管基多孔中空纤维电极表面的扫描电镜图。

图3是本发明的碳纳米管多孔中空纤维电极和碳纳米管平面气体扩散电极的过氧化氢产量对比。

图4是本发明的Cu/碳纳米管多孔中空纤维电极和Cu/碳纳米管平面气体扩散电极在CO

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明采用上述方法制备的碳纳米管基多孔中空纤维电极电催化还原性能

实施例1，碳纳米管多孔中空纤维电极电还原氧气性能

采用碳纳米管多孔中空纤维电极为工作电极、Pt为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，在O

实施例2，Cu/碳纳米管多孔中空纤维电极电还原二氧化碳性能

采用Cu/碳纳米管多孔中空纤维电极为工作电极、Pt为对电极、饱和甘汞电极为参比电极，在CO