本發(fā)明涉及一種電化學(xué)還原領(lǐng)域,尤其涉及一種用于電化學(xué)還原二氧化碳的催化劑及其制備方法。
背景技術(shù):
:化石燃料的廣泛使用不僅消耗了大量的能源,帶來了能源問題,而且產(chǎn)生的大量co2若直接排放,則會(huì)帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。另一方面co2也是一種豐富的碳源,若將co2轉(zhuǎn)變成有用的物質(zhì),則不失為一種解決相關(guān)能源問題和環(huán)境問題的方案。co2是一種穩(wěn)定的化合物,通過電化學(xué)還原方法實(shí)現(xiàn)co2的轉(zhuǎn)化是一種有效的途徑,但其轉(zhuǎn)化效果在較大程度上取決于co2電還原催化劑的性能及其制備方法。研究較多的co2電還原催化劑包括cu、ag、au、in、sn、pb和zn等。中國專利201110078394.9以in、sn、pb或zn等金屬片作為陰極催化劑,中國專利201210408760.7以pb片作為陰極催化劑。直接采用大面積金屬作為電極從電還原催化劑制備來講固然簡單,但催化劑活性位點(diǎn)少、co2電還原活化能高,導(dǎo)致co2電還原活性低下,析氫副反應(yīng)偏重發(fā)生,因而電解池電壓高、co2轉(zhuǎn)化電流效率(二氧化碳電還原電流在總電流中的比例)低。中國專利201180045545.9通過在ti板基底上依次沉積ta2o5層和ta2o5層制備出了ti/ta2o5/iro2催化劑。這種多鍍層沉積制備方法在一定程度上增加了催化劑的有效活性位,但電解電壓高、co2轉(zhuǎn)化電流效率低的問題并未有大的改善,另外還存在催化劑成本高、制備復(fù)雜等問題。中國專利2016010104675.x采用沉積及電鍍等方法制備出了具有特殊形貌的納米sno催化劑,這種催化劑對電還原co2制甲酸具有較高的催化活性和電流效率,然而,催化劑結(jié)構(gòu)控制復(fù)雜、制備工藝繁瑣,不利于催化劑合成的規(guī)模化。鑒于在目前co2電還原催化劑制備及催化效果方面的諸多問題,本發(fā)明提供兩種復(fù)合催化劑的制備方法,兼顧催化劑性能、合成成本和工藝放大能力。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:為了兼顧催化劑成本、催化活性,本發(fā)明提供兩種鋅銀復(fù)合催化劑制備方法。為了具有良好的工藝放大能力,主要合成步驟采用簡單的沉淀反應(yīng)或蘸取浸漬方法。為了使催化劑具有多的活性位,催化劑顆粒尺寸控制在納米級。本發(fā)明一方面提供一種用于電化學(xué)還原二氧化碳的催化劑,所述催化劑是碳負(fù)載納米agxznyoz,其中0<x<1,0<y<1,x+y=1,z≤2x+y。本發(fā)明另一方面提供一種用于電化學(xué)還原二氧化碳的催化劑,所述催化劑為納米agxzny合金,其中0<x<1,0<y<1,x+y=1。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式,所述的催化劑中,0<x≤0.5。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式,所述納米agxznyoz的晶粒尺寸為20-30nm。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式,所述納米agxzny合金中形成有鋅銀固溶體。本發(fā)明另一方面還提供一種制備碳負(fù)載納米agxznyoz催化劑的方法,包括如下步驟:s1:按摩爾比稱取可溶性鋅源化合物和銀源化合物,將所述鋅源化合物和銀源化合物溶解在去離子水中,制得前軀體溶液;s2:將碳負(fù)載體加入到所述前驅(qū)體溶液中,均勻分散;以及s3:配制強(qiáng)堿溶液,并將其加到碳負(fù)載體/前驅(qū)體溶液中,反應(yīng)完成后進(jìn)行過濾,分離出固體顆粒物,洗滌、干燥、研磨,最后焙燒得到所述催化劑。本發(fā)明另一方面還提供一種制備納米agxzny合金催化劑的方法,包括如下步驟:s1:按摩爾比稱取可溶性鋅源化合物和銀源化合物,將所述鋅源化合物和銀源化合物溶解在去離子水中,制得前軀體溶液;s2:用惰性金屬絲網(wǎng)或惰性金屬片蘸取前驅(qū)體溶液并烘干,重復(fù)上述蘸取和烘干步驟數(shù)次;以及s3:在還原氣氛下焙燒s2步驟得到的金屬網(wǎng)或金屬片。根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式,所述碳負(fù)載體是炭黑、乙炔黑、科琴黑、納米碳纖維、納米碳管中的一種或幾種。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式,所述還原氣氛為包含氫氣或co。本發(fā)明的兩種催化劑活性組分的顆粒尺寸達(dá)到了納米級別,保證了催化劑具有多的活性位點(diǎn),具有較大的電流密度。本發(fā)明的催化劑具有良好的co2電還原催化活性,不僅電解電壓低,而且co2轉(zhuǎn)化效率高。本發(fā)明催化劑的兩種制備方法具有良好的工藝放大能力,它們的核心步驟或者是復(fù)分解沉淀,或者是浸漬焙燒步驟,均簡單易控。本發(fā)明的催化劑鋅銀二者之間的比例均可自由調(diào)節(jié),優(yōu)化的比例以zn為主、以ag為輔,有效地降低了催化劑成本。附圖說明通過參照附圖詳細(xì)描述其示例實(shí)施方式,本發(fā)明的上述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯。圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的催化劑的x射線衍射圖;圖2是本發(fā)明實(shí)施例1-6制備的催化劑在2.6v時(shí)的電流效率柱狀圖;以及圖3是本發(fā)明實(shí)施例7制備的催化劑的的x射線衍射圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明中電化學(xué)還原二氧化碳的“催化劑”是指能夠直接催化二氧化碳發(fā)生電化學(xué)還原的物質(zhì),或者在二氧化碳電化學(xué)還原的條件下被還原后能夠催化二氧化碳發(fā)生電化學(xué)還原的物質(zhì)。具體到本發(fā)明中,直接催化二氧化碳發(fā)生電化學(xué)還原的物質(zhì)是指納米agxzny(0<x<1,0<y<1,x+y=1)合金,在二氧化碳電化學(xué)還原的條件下被還原后能夠催化二氧化碳發(fā)生電化學(xué)還原的物質(zhì)是指碳負(fù)載納米agxznyoz(0<x<1,0<y<1,x+y=1,z≤2x+y)。下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明作詳細(xì)說明。碳負(fù)載納米agxznyoz(0<x<1,0<y<1,x+y=1,z≤2x+y)催化劑的制備方法,包括如下步驟:s1:按摩爾比稱取可溶性鋅源化合物和銀源化合物,將所述鋅源化合物和銀源化合物溶解在去離子水中,制得前軀體溶液。s2:將碳負(fù)載體加入到所述前驅(qū)體溶液中,均勻分散。s3:配制強(qiáng)堿溶液,并將其加到碳黑/前驅(qū)體溶液中,反應(yīng)完成后進(jìn)行過濾,分離出固體顆粒物,洗滌、干燥、研磨,最后焙燒得到所述催化劑。其中可溶性鋅源化合物可以是氯化鋅、硫酸鋅、硝酸鋅、醋酸鋅等??扇苄糟y源化合物可以是硝酸銀等??梢宰鳛樘钾?fù)載提的物質(zhì)可以是炭黑、乙炔黑、科琴黑、納米碳纖維、納米碳管等。強(qiáng)堿可以是氫氧化鈉、氫氧化鉀等。加入強(qiáng)堿溶液可以是滴加加入,滴加過程中控制溫度、攪拌、控ph值以生成沉淀。催化劑中鋅和銀可以是任意比例,優(yōu)選鋅銀摩爾比大于1,以降低催化劑的成本。本發(fā)明通過復(fù)分解制備碳負(fù)載納米鋅銀氧化物催化劑,制備過程簡單易控。納米agxzny(0<x<1,0<y<1,x+y=1)合金催化劑的制備方法,包括如下步驟:s1:按摩爾比稱取可溶性鋅源化合物和銀源化合物,將所述鋅源化合物和銀源化合物溶解在去離子水中,制得前軀體溶液。s2:用惰性金屬絲網(wǎng)或惰性金屬片蘸取前驅(qū)體溶液并烘干,重復(fù)上述蘸取和烘干步驟數(shù)次。s3:在還原氣氛下焙燒s2步驟得到的金屬網(wǎng)或金屬片。其中可溶性鋅源化合物可以是氯化鋅、硫酸鋅、硝酸鋅、醋酸鋅等。可溶性銀源化合物可以是銷酸鹽等。還原氣氛可以是氫氣等。催化劑中鋅和銀可以是任意比例,優(yōu)選鋅銀摩爾比大于1,以降低催化劑的成本。本發(fā)明通過浸漬焙燒制備鋅銀合金催化劑,制備過程簡單易控。還原氣氛可以是能夠還原為鋅銀的任何還原氣體,例如氫氣或co,可以是純還原氣體,也可以是還原氣體與惰性氣體的混合氣體。實(shí)施例1按鋅元素與銀元素摩爾比為85:15秤取銷酸鋅和硝酸銀。將5.1g六水合硝酸鋅和0.5g硝酸銀攪拌溶解于200ml去離子水中,制得前驅(qū)體溶液。在前驅(qū)體溶液中加入0.4g碳黑(xc-72),并超聲10min至均勻分散。稱取1.8g氫氧化鈉,配置成1mol·l-1的氫氧化鈉溶液,用注射泵以1ml·min-1的速度滴加到含碳黑的前驅(qū)體溶液中。保持反應(yīng)溫度為25℃左右,滴加過程中對前驅(qū)體溶液進(jìn)行磁力攪拌。滴加過程中用酸度計(jì)監(jiān)控反應(yīng)體系的ph值,保持ph緩慢增加。滴加完后繼續(xù)攪拌3h。然后用真空抽濾裝置分離出固體顆粒物,并用去離子水洗滌3次,在真空干燥箱中烘干后研磨,并于300℃焙燒3小時(shí)后即獲得產(chǎn)物催化劑,記為zn0.85ag0.15oz/c。實(shí)施例2除秤取鋅元素與銀元素摩爾比為99:1的銷酸鋅和硝酸銀外,其他條件與實(shí)施例1相同。制得的產(chǎn)物催化劑為zn0.99ag0.01oz/c實(shí)施例3除秤取鋅元素與銀元素摩爾比為95:5的銷酸鋅和硝酸銀外,其他條件與實(shí)施例1相同。制得的產(chǎn)物催化劑為zn0.95ag0.05oz/c實(shí)施例4除秤取鋅元素與銀元素摩爾比為70:30的銷酸鋅和硝酸銀外,其他條件與實(shí)施例1相同。制得的產(chǎn)物催化劑為zn0.70ag0.30oz/c實(shí)施例5除秤取鋅元素與銀元素摩爾比為15:85的銷酸鋅和硝酸銀外,其他條件與實(shí)施例1相同。制得的產(chǎn)物催化劑為zn0.15ag0.85oz/c實(shí)施例6除秤取鋅元素與銀元素摩爾比為1:99的銷酸鋅和硝酸銀外,其他條件與實(shí)施例1相同。制得的產(chǎn)物催化劑為zn0.01ag0.99oz/c圖1是實(shí)施例1制備的催化劑的x射線衍射圖,結(jié)果顯示催化劑的成分除了zno和ag2o外還有ag物相,根據(jù)謝樂公式計(jì)算催化劑晶粒平均尺寸為23nm。圖2是實(shí)施例1-6制備的催化劑在2.6v電壓下的電流效率柱狀圖。此圖清晰的對比了六種實(shí)施例中甲酸、co和co2的轉(zhuǎn)化效率,得到實(shí)施例1總的co2轉(zhuǎn)化效率最高。對實(shí)施例1-6所制備的催化劑進(jìn)行性能測試,測試條件如下,以實(shí)施例1-6制備的催化劑為陰極催化劑,ir黑為陽極催化劑,nafion115膜(杜邦)為質(zhì)子交換膜,采用在膜上直噴催化劑漿體的方法制備膜電極。以鈦網(wǎng)為膜電極的支撐層和集流層。陽極和陰極的電極的工作面積均為5cm-2,且金屬催化劑的負(fù)載量均為1mg·cm-2。測試過程中使用蠕動(dòng)泵向電解池內(nèi)通入電解液。陰極以16.4ml·min-1的流速通入khco3溶液,同時(shí)以50ml·min-1流速通入co2氣體。陽極以32.8ml·min-1的流速通入koh溶液。測試溫度為25℃。表1-6示出實(shí)施例1-6制備的六種催化劑的催化性能,包括不同電解電壓下的電流密度、甲酸電流效率、co電流效率以及co2轉(zhuǎn)化電流效率。表1示出實(shí)施例1制備的催化劑在不同電解電壓下的電催化性能電壓/v2.22.42.62.8電流密度/ma·cm-213.525.251.166.0co分電流密度8.114.225.622.8co電流效率60.5%56.4%50.1%34.6%甲酸電流效率21.4%26.8%38.1%51.0%h2電流效率18.1%16.8%11.8%14.4%co2轉(zhuǎn)化電流效率81.9%83.2%88.2%85.6%表2示出實(shí)施例2制備的催化劑在不同電解電壓下的電催化性能電壓/v2.22.42.6電流密度/ma·cm-227.138.652.4co分電流密度17.821.123.8co電流效率65.9%54.6%45.3%甲酸電流效率10.6%22.7%31.6%h2電流效率23.5%22.7%23.1%co2轉(zhuǎn)化電流效率76.5%77.3%76.9%表3示出實(shí)施例3制備的催化劑在不同電解電壓下的電催化性能電壓/v2.22.42.6電流密度/ma·cm-217.635.852.5co分電流密度6.516.424.4co電流效率37.0%45.8%46.4%甲酸電流效率36.6%32.4%35.1%h2電流效率26.4%21.8%18.5%co2轉(zhuǎn)化電流效率73.6%78.2%81.5%表4示出實(shí)施例4制備的催化劑在不同電解電壓下的電催化性能電壓/v2.22.42.6電流密度/ma·cm-228.445.857.0co分電流密度11.323.524.0co電流效率39.9%51.3%42.1%甲酸電流效率15.8%15.6%29.6%h2電流效率44.3%33.1%28.3%co2轉(zhuǎn)化電流效率55.7%66.9%71.7%表5示出實(shí)施例5制備的催化劑在不同電解電壓下的電催化性能電壓/v2.22.42.6電流密度/ma·cm-234.848.065.1co分電流密度2.914.825.1co電流效率8.3%30.9%38.6%甲酸電流效率68.8%29.4%19.9%h2電流效率22.9%39.7%41.5%co2轉(zhuǎn)化電流效率77.1%60.3%58.5%表6示出實(shí)施例6制備的催化劑在不同電解電壓下的電催化性能電壓/v2.22.42.6電流密度/ma·cm-222.834.646.0co分電流密度14.518.130.3co電流效率63.5%52.4%65.9%h2電流效率36.5%47.6%34.1%co2轉(zhuǎn)化電流效率63.5%52.4%65.9%從表1-6中可以看出,在所制備的鋅銀復(fù)合催化劑中,隨著電壓的升高,鋅占比大(摩爾比超過50%)的樣品在一定范圍內(nèi)具有co電流效率下降、co2轉(zhuǎn)化電流效率增大的特點(diǎn),而當(dāng)銀含量很大(摩爾比超過50%)時(shí),則表現(xiàn)出相反的演變特點(diǎn)。特別地,催化劑zn0.85ag0.15oz/c表現(xiàn)出良好的co2電還原活性,其在2.2v電壓下的co2轉(zhuǎn)化電流效率就達(dá)到81.92%,較其他一些樣品在2.6v時(shí)的還要高。在相同電壓下,在一定范圍內(nèi),co2轉(zhuǎn)化電流效率隨著樣品中銀含量的增大而增大,當(dāng)鋅銀摩爾比為85:15時(shí),電壓在2.6v時(shí)的co2轉(zhuǎn)化電流效率達(dá)到88.18%,超過這一比例則co2轉(zhuǎn)化電流效率有所下降。在鋅銀復(fù)合催化劑中,甲酸的電流效率有隨著銀含量的增大而下降的趨勢。實(shí)施例7鋅元素與銀元素摩爾比為85:15的非負(fù)載型鋅銀復(fù)合催化劑的制備。稱取0.5g硝酸銀和5.1g六水合硝酸鋅攪拌溶解于10ml去離子水中制得銀鋅前軀體溶液。裁取一片5cm2的鈦絲網(wǎng),蘸取所制備的前驅(qū)體溶液,蘸完放入烘箱中在90℃下進(jìn)行干燥。重復(fù)蘸取和干燥操作10次后,放入管式爐中在氫氣氣氛和400℃下焙燒3小時(shí)。焙燒完畢即獲得非負(fù)載型鋅銀復(fù)合催化劑,記為zn0.85ag0.15。圖3是浸漬焙燒法制備的zn0.85ag0.15催化劑的x射線衍射圖,圖中峰角度與標(biāo)準(zhǔn)ag相比發(fā)生偏移,說明晶格常數(shù)發(fā)生了變化,形成了鋅銀固溶體,其晶粒尺寸為18-34nm。表7給出了以與實(shí)施例7中制備的催化劑以與實(shí)施例1-6相同的測試方法測得的在不同電位下的電流密度、甲酸電流效率、co電流效率和甲酸與co2轉(zhuǎn)化電流效率。表7zn0.85ag0.15催化劑在不同電解電壓下的電催化性能電壓/v2.22.42.6電流密度/ma·cm-227.041.558.2co分電流密度19.925.330.6co電流效率73.5%61.0%52.5%甲酸電流效率7.7%19.7%24.6%h2電流效率18.8%19.3%22.9%co2轉(zhuǎn)化電流效率81.3%80.7%77.1%表7顯示出采用浸漬焙燒法制備的zn0.85ag0.15催化劑也具有良好的催化性能,在電壓低至2.2v時(shí)co2轉(zhuǎn)化電流效率達(dá)到了81.25%。本發(fā)明給出的兩種鋅銀復(fù)合的催化劑制備方法在具體步驟上都比較簡單,都可以容易地進(jìn)行工藝放大。無論是沉淀法制備的負(fù)載型復(fù)合催化劑或是浸漬焙燒法制備的非負(fù)載型復(fù)合催化劑均可以具有高的co2電還原催化活性,電解池電解電壓甚至可以低至2.2v。尤其是zn0.85ag0.15oz/c和zn0.85ag0.15這兩個(gè)催化劑產(chǎn)品以鋅為主、以銀為輔,這種催化劑活性組分的構(gòu)成有力地降低了co2的轉(zhuǎn)化成本。在本發(fā)明給出的制備方法所制備的復(fù)合催化劑上,co2的電還原產(chǎn)物中含有co和甲酸兩種成分,但兩者分屬氣態(tài)和液態(tài),兩種產(chǎn)物很容易分離。相較于其他催化劑,產(chǎn)生多種氣體或多種液體產(chǎn)物,不易使產(chǎn)物分離,本發(fā)明的催化劑具有明顯優(yōu)勢。當(dāng)然,本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例,在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下,熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形,但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12