本發(fā)明屬于電化學(xué)二氧化碳催化還原領(lǐng)域，具體涉及了一種利用廉價(jià)易得的親水基阿拉伯膠溶液代替昂貴的nafion試劑作為催化劑粘結(jié)劑，提高反應(yīng)活性和二碳烷烴選擇性的方法。

背景技術(shù)：

1、在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，由于化石燃料的消耗，過(guò)量的二氧化碳被釋放到大氣中，引起了氣候變化和其他環(huán)境問(wèn)題。由太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源實(shí)現(xiàn)的電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)被認(rèn)為是解決這些問(wèn)題的一種有前途的策略。將排放的二氧化碳封存到化學(xué)原料中，并減少化學(xué)生產(chǎn)行業(yè)中化石燃料的使用。二碳的還原產(chǎn)物，如乙烯、乙烷、乙醇等，因其更高的能量密度、更廣闊的市場(chǎng)規(guī)模而更受青睞。因銅基催化劑對(duì)還原中間體適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合能而被認(rèn)為是唯一可以催化碳碳偶聯(lián)合成二碳產(chǎn)物的金屬基催化劑。但純金屬銅納米顆粒對(duì)二碳產(chǎn)物的催化活性較低，選擇性較差。越來(lái)越多的材料合成、微觀環(huán)境調(diào)控等策略被用于提高純銅金屬的催化效率，但成本相對(duì)較高。

2、h型電解池是二氧化碳電還原最經(jīng)典的電解池，具有組裝方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在陰極室，反應(yīng)所需的二氧化碳要首先溶解于電解液中，然后經(jīng)過(guò)擴(kuò)散到達(dá)催化劑表面才能參與還原反應(yīng)。然而由于二氧化碳在水溶液中較低的溶解度使得h型電解池的電流密度遠(yuǎn)低于工業(yè)應(yīng)用的指標(biāo)要求。提高二氧化碳在電解液中的保持度可以提高催化劑表面參與反應(yīng)的原料濃度。

3、nafion是一種全氟磺酸離子交換樹(shù)脂，由于其良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，是被用來(lái)將催化劑粉末綁定到氣體擴(kuò)散電極上的通用粘合劑選擇。然而，復(fù)雜的聚合、磺化等合成過(guò)程使其市場(chǎng)價(jià)格十分高昂，在一定程度上制約了二氧化碳電還原技術(shù)的成本節(jié)約。因此，尋找更經(jīng)濟(jì)的替代材料，以實(shí)現(xiàn)類似的性能，是未來(lái)發(fā)展電催化二氧化碳技術(shù)的關(guān)鍵。阿拉伯膠(gumarabic)是一種天然植物膠多糖，由許多單糖分子通過(guò)糖苷鍵連接而成的大分子，能夠在水中可以形成穩(wěn)定的膠體溶液產(chǎn)生粘性，且能在廣泛的電位窗口范圍內(nèi)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。另外，阿拉伯膠是碳酸飲料中重要的二氧化碳穩(wěn)定劑，可以幫助保持液體中氣泡和均勻分布。因此，發(fā)展一種親水基的阿拉伯膠溶液代替昂貴的nafion作為二氧化碳電還原催化劑的粘合劑提高反應(yīng)活性和二碳產(chǎn)物選擇性是有意義的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有銅納米催化劑粘結(jié)劑成本高昂、h型電解池內(nèi)二氧化碳保持度低等問(wèn)題，而提供一種以成本低廉、制備簡(jiǎn)單的阿拉伯膠溶液作為催化劑粘結(jié)劑的方法，同時(shí)提高了催化反應(yīng)活性和二碳產(chǎn)物烷烴的選擇性。

2、本發(fā)明以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：

3、步驟一、將阿拉伯膠粉末溶解于去離子水中，得到阿拉伯膠溶液；

4、步驟二、向離心管中加入銅納米顆粒、分散劑異丙醇和震蕩玻璃珠后進(jìn)行超聲處理，再加入阿拉伯膠溶液再次超聲處理，形成均勻的銅墨水；

5、步驟三、向離心管中加入導(dǎo)電炭黑、分散劑甲醇和震蕩玻璃珠后進(jìn)行超聲處理，再加入阿拉伯膠溶液后再次超聲處理，形成均勻的炭黑墨水；

6、步驟四、先將銅墨水噴涂負(fù)載在氣體擴(kuò)散電極上，然后再在氣體擴(kuò)散電極上噴涂炭黑墨水，得到cu/c的復(fù)合陰極催化劑；

7、步驟五、將cu/c的復(fù)合陰極催化劑裝入電解池中，電解池內(nèi)持續(xù)通入二氧化碳，以khco3溶液作為電解液進(jìn)行恒電位電解，收集二氧化碳電還原產(chǎn)物，即完成以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法。

8、本發(fā)明以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法包括以下有益效果：

9、1、本發(fā)明以低廉易得的阿拉伯膠溶液作為催化劑的粘結(jié)劑，這種替代可以顯著降低成本，對(duì)于大規(guī)模實(shí)施二氧化碳還原技術(shù)尤其重要，有助于提高整個(gè)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)可行性。

10、2、本發(fā)明以優(yōu)異的粘性和穩(wěn)定性的阿拉伯膠溶液作為催化劑的粘結(jié)劑，實(shí)現(xiàn)納米銅和導(dǎo)電炭黑的復(fù)合層緊密地綁定在氣體擴(kuò)散電極上，且還原過(guò)程中阿拉伯膠的結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變。

11、3、阿拉伯膠獨(dú)特的氣體保持性能提供了對(duì)電解液中二氧化碳傳輸有利的微觀環(huán)境，有利于擴(kuò)散到催化劑表面參與還原反應(yīng)。另外，阿拉伯膠適中的親水性提高了烷烴類產(chǎn)物的生成，尤其是乙烯、乙烷等二碳產(chǎn)物。

技術(shù)特征：

1.以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于該以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟一中阿拉伯膠溶液的質(zhì)量濃度為5％-20％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟二中銅納米顆粒的粒徑為10-30nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟二中向離心管中加入5-10mg銅納米顆粒、1.5-2.0ml分散劑異丙醇和震蕩玻璃珠后進(jìn)行超聲處理20-40min，再加入50-100μl阿拉伯膠溶液再次超聲處理20-40min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟二中所述導(dǎo)電炭黑的型號(hào)為vulcan?xc-72。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟三中向離心管中加入2-5mg導(dǎo)電炭黑、1.5-2.5ml分散劑甲醇和震蕩玻璃珠后進(jìn)行超聲處理，再加入20-50μl阿拉伯膠溶液后再次超聲處理。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟三中兩次超聲處理的時(shí)間均為30min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟四中cu/c的復(fù)合陰極催化劑上銅納米顆粒的負(fù)載量為1-5mg·cm-2，導(dǎo)電炭黑的負(fù)載量為0.5-1.5mg·cm-2。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟五中所述的電解池為h型電解池。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，其特征在于步驟五中khco3溶液的濃度為0.1mol/l。

技術(shù)總結(jié)
以阿拉伯膠溶液為粘結(jié)劑提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法，本發(fā)明是要解決現(xiàn)有銅納米催化劑粘結(jié)劑成本高、H型電解池內(nèi)二氧化碳保持度低等問(wèn)題。提高二氧化碳電還原產(chǎn)物選擇性的方法：一、制備阿拉伯膠溶液；二、向離心管中加入銅納米顆粒、分散劑異丙醇和震蕩玻璃珠后進(jìn)行超聲處理，加入阿拉伯膠溶液再次超聲，形成銅墨水；三、向離心管中加入導(dǎo)電炭黑、分散劑甲醇和震蕩玻璃珠后進(jìn)行超聲處理，加入阿拉伯膠溶液后再次超聲，形成炭黑墨水；四、先后將銅墨水和炭黑墨水噴涂負(fù)載在氣體擴(kuò)散電極上；五、二氧化碳催化電解。本發(fā)明將阿拉伯膠溶液用作粘結(jié)劑改變銅基催化劑的表面微觀環(huán)境，提高反應(yīng)電流密度和產(chǎn)物選擇性，且阿拉伯膠的成本低廉。

技術(shù)研發(fā)人員：吳清蓮,呂楊,郭婉茜
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23