TW201424092A

TW201424092A - 陰極催化劑，陰極材料及其製備方法及反應器

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Publication number: TW201424092A
Application number: TW101148160A
Authority: TW
Inventors: Jian-Wei Guo; chen-chen Zhao; xiang-ming He; Li Wang; Jian-Jun Li; Jian Gao
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-06-16
Also published as: US10400340B2; CN103849885B; US20140158526A1; US20190338428A1; TWI487170B; CN103849885A; US10975481B2

Abstract

本發明涉及一種陰極催化劑，用於二氧化碳電化學還原轉化利用，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構。所述第一催化劑層和所述第一催化劑層之間為物理結合且所述第一催化劑層和所述第一催化劑層的材料不同。本發明還涉及一種用於二氧化碳電化學還原轉化利用的的陰極材料，該陰極材料包括上述陰極催化劑。本發明還涉及一種用於二氧化碳電化學還原轉化利用的反應器，該反應器包括採用上述陰極材料。本發明進一步提供一種上述陰極材料的製備方法。

Description

陰極催化劑，陰極材料及其製備方法及反應器

本發明涉及一種陰極催化劑，陰極材料及其製備方法，以及包含該陰極材料的反應器，用於二氧化碳電化學還原轉化利用。

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境問題是當前人類面臨的兩大危機。自工業革命以來的上百年裏，大量使用化石能源導致其資源短缺，對環境也產生了嚴重的負面影響, 以地球變暖為核心的全球環境問題日益嚴重，已經成為威脅人類可持續發展的主要因素之一，削減溫室氣體排放以減緩氣候變化成為當今國際社會關注的熱點。大量含碳能源的消耗加快了CO₂排放速度，打破了自然界CO₂循環的平衡，造成CO₂在大氣中的積累，一方面形成溫室效應引起氣候變化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源將CO₂轉化成含碳的化工原料或燃料則是實現能源和環境可持續發展亟待解決的關鍵課題。

目前，資源化利用CO₂主要通過化學轉化、光化學還原、電化學還原、生物轉化、CO₂與甲烷的重構或CO₂的無機轉化等方式進行。由於CO₂是不活潑分子，化學性質穩定，因此利用化學轉化需要在高溫以及高壓條件下進行，而且CO₂的轉化率和回收率都不高，目前還難以商業化應用。

與其他CO₂轉化利用路線相比，電化學還原轉化頗具吸引力。電化學還原CO₂在常溫常壓下即可進行反應，反應條件溫和且操作簡單。另外，在電化學還原過程中，可通過電壓、電流、溫度等調節反應的選擇性，有助於對產物的選擇性合成。在電化學還原CO₂的過程中，陰極材料中催化劑的性能是決定電化學還原CO₂效率的決定性因素之一。先前技術中用於電化學還原CO₂的陰極材料中通常採用單一的金屬或合金催化劑，然而在實際反應過程中存在反應活性較低，析氫嚴重，材料性能不穩定等問題，從而造成CO₂的轉化率低。

有鑒於此，提供一種用於二氧化碳電化學還原轉化，反應活性較高，且具有較高轉化率的陰極催化劑、包含該陰極催化劑的陰極材料，以及應用該陰極材料的反應器以及轉化利用方法實為必要。

一種陰極催化劑，用於二氧化碳電化學還原轉化利用，包括一第一催化劑層，以及一第二催化劑層設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構。

一種陰極材料，用於二氧化碳電化學還原轉化利用，包括所述陰極催化劑。

一種反應器，用於二氧化碳電化學還原轉化利用，包括：一電源；一腔體；一電解質隔膜設置在該腔體中，並將該腔體分隔為陰極室以及陽極室；一陽極設置在所述陽極室內，以及一陰極設置在所述陰極室內；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。

一種陰極材料的製備方法，該陰極材料用於二氧化碳電化學還原轉化利用，包括以下步驟：配置一電鍍沈積液；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沈積液中進行電沈積，使所述第二催化劑材料沈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；以及乾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構，且該鍍層與所述第一催化劑片之間為物理結合。

相較於先前技術，本發明實施例採用一雙催化劑層作為二氧化碳電化學還原的陰極催化劑，並且其中一催化劑層為多孔結構，該兩層催化劑層的材料不同且之間為物理結合，從而在該兩層催化劑層的介面結合處可產生較好的協同效應，從而一方面可提高該陰極催化劑的穩定性和催化活性，另一方面在二氧化碳轉化過程中可有效地抑制析氫反應，提高二氧化碳轉化產物的生成效率。

以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化利用的陰極催化劑、利用該陰極催化劑的陰極材料以及利用該陰極材料來進行二氧化碳電化學還原轉化的方法以及反應器。

請參閱圖1，本發明實施例首先提供一種陰極催化劑10，該陰極催化劑10用於電化學還原轉化二氧化碳。該陰極催化劑10包括一第一催化劑層12以及一第二催化劑層14，該第二催化劑層14設置在所述第一催化劑層12的表面，其中，所述第二催化劑層14為一多孔結構。

所述第一催化劑層12為一厚度均勻的層狀結構。所述第一催化劑層12的厚度可為100奈米至200微米。所述第一催化劑層12為一自支撐結構，所述自支撐是指所述第一催化劑層12無需任何支撐體即可保持其整體的層狀結構。所述第一催化劑層12可為一連續的層狀結構，該連續的層狀結構表面均勻緻密。此外，所述第一催化劑層12也可為一多孔的網狀結構，該網狀結構的第一催化劑層12的孔隙率可為30%至90%。本發明實施例中，所述第一催化劑層12為所述連續的層狀結構。

所述第一催化劑層12的材料可為可用來電化學還原轉化二氧化碳的具有催化性能的金屬，可包括鋅、鎘、銦、錫、鉛、鉍、鈀、鉑、銅、銀、和金。本發明實施例中所述第一催化劑層12的材料為金屬銅。

請參閱圖2，所述第二催化劑層14厚度均勻且為具有複數微孔142的多孔結構。該複數微孔142在該第二催化劑層14表面均勻分佈。該複數微孔142可為通孔或盲孔。本發明實施例中該複數微孔142為通孔。該複數微孔142的形狀不限只需保證該複數微孔142在所述第二催化劑層14表面均勻分佈即可。優選地，所述複數微孔142的形狀可為圓形或方形。所述複數微孔142的孔徑可為10奈米至10微米。該多孔結構的第二催化劑層14的孔隙率可為40%至90%，優選地，該孔隙率可為60%至90%。該多孔結構可通過圖案化的方式形成。該多孔結構使該陰極催化劑10應用於電化學還原轉化二氧化碳時可增大所述二氧化碳與該陰極催化劑10的接觸面積，從而可使該陰極催化劑10具有較好的反應活性以及化學穩定性。所述第二催化劑層14的厚度可為100奈米至5微米。

在該陰極催化劑10中，所述第一催化劑層12和第二催化劑層14選取不相同的材料。本發明實施例中所述第二催化劑層14的材料為金屬錫。

所述第一催化劑層12與所述第二催化劑層14之間緊密結合。所述第一催化劑層12與所述第二催化劑層14之間為物理結合。所述物理結合是指所述第一催化劑層12與第二催化劑層14之間並非以合金的方式結合，即不形成化學鍵，僅通過分子或原子間作用力相互緊密吸附。由於第一催化劑層12與第二催化劑層14的材料不同且之間為物理結合，從而在所述第一催化劑層12與第二催化劑層14的介面結合處可產生較好的協同效應，從而一方面可提高催化效率，另一方面在二氧化碳轉化過程中可有效地抑制析氫反應，提高二氧化碳轉化產物的生成效率。

請參閱圖3，所述陰極催化劑10可進一步包括複數層所述第一催化劑層12或複數層所述第二催化劑層14，或所述陰極催化劑10同時包括複數層第一催化劑層12以及複數層第二催化劑層14，只需保證相鄰兩層催化劑層之間採用不同的材料。所述複數層第二催化劑層14可層疊設置後整體設置於層疊後的所述第一催化劑層12表面。此外，所述複數層的第一催化劑層12與所述複數層的第二催化劑層14之間可交替層疊設置形成所述陰極催化劑10。各層催化劑層之間均為物理結合。

所述陰極催化劑10可通過多種方法製備，只需保證所述陰極催化劑10中至少一催化劑層為所述多孔結構、相鄰兩層催化劑層的材料不同且之間為所述物理結合。本發明實施例進一步提供一種所述陰極催化劑10的製備方法，包括以下步驟：

S1，配置電鍍沈積液；

S2，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，在所述電鍍沈積液中進行電沈積，使所述第二催化劑材料沈積在所述第一催化劑片上形成一鍍層，其中所述第二催化劑材料與所述第一催化劑片的材料不同；以及

S3，乾燥該具有鍍層的第一催化劑片，形成所述陰極催化劑10。

在上述步驟S1中，所述電鍍沈積液可通過如下步驟配置：

S11，提供一絡合劑以及一酒石酸鹽；

S12，並將所述絡合劑與所述酒石酸鹽混合形成一混合液；以及

S13，將一主鹽溶於所述混合液中，形成所述電鍍沈積液，該主鹽含有所述第二催化劑材料元素。

在上述步驟S11中，所述絡合劑可為常用的電鍍沈積液中使用的絡合劑。優選地，所述絡合劑為焦磷酸鹽。本發明實施例中所述絡合劑為焦磷酸鉀的水溶液。所述酒石酸鹽可作為一輔助絡合劑。該輔助絡合劑可在後續電沈積的過程中穩定解離的第二催化劑材料離子並且有助於電鍍陽極在所述電鍍沈積液中的正常溶解。本發明實施例中所述酒石酸鹽為酒石酸鉀鈉。

所述絡合劑與所述酒石酸鹽的摩爾比可為3:1至20:1。優選地，所述摩爾比可為5:1至16:1。更為優選地，所述絡合劑與所述酒石酸鹽的摩爾比為8:1。

在上述步驟S12中，可進一步包括一加入至少一添加劑的步驟。該添加劑用於增強所述電鍍陰極的極化效果，從而可使後續電沈積形成的鍍層晶粒均勻細緻。該添加劑的添加量可為0.2克/升至0.6克/升。所述添加劑優選為明膠。

在上述步驟S12中，可進一步包括一加入一表面活性劑的步驟。該表面活性劑可降低所述電鍍陰極以及電鍍陽極與所述電鍍沈積液間的介面張力，從而可提高所述電鍍沈積液在所述電鍍陰極以及電鍍陽極表面的分散能力。該表面活性劑優選為十二烷基苯磺酸鈉。

在所述混合液中，所述絡合劑、酒石酸鹽、添加劑以及表面活性劑之間為物理混合，且相互間完全溶解形成液態的所述混合液。

在步驟S13中，所述主鹽含有所述第二催化劑材料元素，該主鹽可在所述混合液中解離出所述第二催化劑材料的離子。本發明實施例中所述主鹽為二價錫鹽，該二價錫鹽可在所述混合液中解離出二價錫離子。所述二價錫鹽可為氯化亞錫（SnCl₂）。所述二價錫鹽與所述絡合劑的摩爾比可為3:1至6:1。優選地，所述二價錫鹽與所述絡合劑的摩爾比為4:1。

在上述步驟S1中，所述電鍍沈積液在小於40^oC的溫度環境下進行配置。優選地，所述溫度可為5至15^oC。

在上述步驟S2中，所述第一催化劑片的材料為所述第一催化劑層12的材料，所述第二催化劑材料即為所述第二催化劑層14的材料。本發明實施例中所述第一催化劑片為銅片，所述第二催化劑層材料為錫金屬。所述錫金屬可為片狀或具有一定厚度的塊狀結構。優選地，所述作為電鍍陽極的錫金屬為塊狀結構。所述第一催化劑片可為表面緻密連續的層狀或網狀結構。

在上述步驟S2中，所述電沈積的過程在低於60^oC的溫度環境下進行。該溫度範圍內有利於形成的所述鍍層均勻，且可保持所述鍍層與所述第一催化劑片之間的介面物理結合特性。

在上述步驟S2中，通過所述電沈積，形成一具有複數微孔的鍍層，該鍍層即為所述第二催化劑層14。所述電沈積過程在一恒定電流密度下進行。所述電流密度可為5毫安培/平方釐米至30毫安培/平方釐米。優選地，所述電流密度可為10毫安培/平方釐米至15毫安培/平方釐米。此外，所述電沈積的時間可為1分鐘至50分鐘。優選地，所述電沈積的時間為10分鐘至25分鐘。在上述電流密度以及電沈積時間範圍內，所述鍍層厚度均勻且所述微孔均勻分佈，從而製成的陰極催化劑10在電化學還原二氧化碳時具有較好的活性。

在上述步驟S3中，所述乾燥包括自然晾乾或在一較低溫度下加熱乾燥。所述具有鍍層的第一催化劑片需避免在較高溫度下的乾燥或熱處理以防止避免破壞形成的所述鍍層（第二催化劑層14）的多孔結構。所述乾燥的溫度優選小於等於60^oC。

請參閱圖4，本發明實施例進一步包括一陰極材料100，該陰極材料100用於電化學還原轉化二氧化碳。該陰極材料100包括所述陰極催化劑10，以及一導電支撐層20，所述陰極催化劑10設置在所述導電支撐層20表面。

所述導電支撐層20用於承載所述陰極催化劑10。該導電支撐層20優選為一層狀的多孔結構。該多孔結構具有複數通孔，利於在電化學還原二氧化碳時，二氧化碳以及陰極電解液可較好地與所述陰極催化劑10接觸。該多孔的導電支撐層20可具有一定的厚度，從而使該陰極材料100具有三維立體結構。該厚度的方向與電解電流的方向相同。該導電支撐層20的厚度可為2毫米至30毫米，優選地，該導電支撐層20的厚度可為2.1毫米至20毫米。所述厚度可提高所述電化學還原反應的質子傳導速率以及電子傳導速率。所述導電支撐層20的材料選取耐高溫耐腐蝕的材料，如鈦或不銹鋼等。

此外，由於所述陰極催化劑10可為一自支撐結構，因此，所述陰極材料100可僅由所述陰極催化劑10組成，從而可簡化所述陰極材料100的結構。

此外，由於該自支撐的陰極催化劑10，因此，上述陰極催化劑10的製備方法即可做為所述陰極材料100的製備方法。如圖5所示，該製備方法的步驟與上述陰極材料製備方法的步驟相同，在此不再贅述。

請參閱圖6，本發明實施例進一步提供一種反應器200用於電化學還原轉化二氧化碳。該反應器200包括一電源102，一腔體104，一電解質隔膜106，一陰極108，以及一陽極110。所述電解質隔膜106設置在該腔體104內並將該腔體分隔為陰極室112和陽極室114。所述陰極108設置在所述陰極室112內，所述陽極110設置在所述陽極室114內。所述電源102設置在腔體104外，並且該電源102的兩端分別與所述陰極108和陽極110電連接。其中，所述陰極108包括所述陰極材料100。

所述電源102用於給該二氧化碳的電化學還原反應提供電解電壓。該電源102可為各種形式的能源，如風電、光電以及電化學電池等。

所述電解質隔膜106將所述陰極108與所述陽極110隔離，所述陰極108、電解質隔膜106以及所述陽極110依次為一層疊結構。該電解質隔膜106可選擇性地允許一定量的陽離子從所述陽極110轉移到陰極108，以在電化學反應中，平衡所述陽極110與陰極108中離子的化學計量比。所述電解質隔膜106可隔絕電子通過。所述電解質隔膜260可為增強型離子交換膜，如增強型全氟磺酸膜、增強型全氟羧酸膜或增強型全氟磺酸/全氟羧酸複合膜等。

所述陰極108包括所述陰極材料100，其中，所述第一催化劑層12設置在所述第二催化劑層14和所述電解質隔膜106之間。

所述陰極室112進一步包括一陰極進料口1122以及一陰極出料口1124。陰極電解液以及二氧化碳氣體從該陰極進料口1122進料，並在該陰極室112內所述陰極材料作用下發生電化學還原反應。反應生成陰極反應產物隨反應剩餘的所述陰極電解液從所述陰極出料口1124排出。

所述陽極110優選可為一多孔擴散電極，包括一多孔擴散層以及一陽極催化劑層設置在該多孔擴散層表面。其中所述陽極催化劑層設置於該多孔擴散層以及所述電解質隔膜106之間。

所述陽極室114進一步包括以陽極進料口1142以及一陽極出料口1144。陽極電解液和陽極活性物質從該陽極進料口1142進料，並在陽極室內發生電化學氧化反應，反應生成陽極反應產物隨反應剩餘的所述陽極電解液經所述陽極出料口1144流出。

本發明實施例進一步提供一種利用上述反應器200電化學還原轉化二氧化碳的方法，包括以下步驟：

B1，將二氧化碳氣體通入所述反應器200內；以及

B2，在所述陰極108和陽極110之間提供電解電壓以分解二氧化碳。

上述步驟B1可進一步包括：將所述二氧化碳氣體以及所述陰極電解液通入陰極室112內，並流經所述陰極108，同時，將所述陽極電解液和陽極活性物質通入所述陽極室114內。

所述陰極電解液包括溶劑以及溶於該溶劑的溶質，該溶質可為溶解的鹼金屬碳酸氫鹽，鹼金屬甲酸鹽，碳酸氫銨（NH₄HCO₃）以及甲酸銨（HCOONH₄）等中的一種或幾種。所述鹼金屬碳酸氫鹽可為碳酸氫鈉（NaHCO₃）或碳酸氫鉀（KHCO₃）等。所述鹼金屬甲酸鹽可為甲酸鈉（HCOOK），甲酸鉀（HCOOK）或其水合物等。本發明實施例中所述陰極電解液為碳酸氫鉀水溶液。

所述陽極電解液包括溶劑和可溶於該溶劑的溶質，該溶劑優選為水，該溶質可為鹼金屬氫氧化物、鹼金屬鹽、銨鹽或酸等。具體地，該溶質可為氫氧化鈉（NaOH）、硫酸鈉（Na₂SO₄）、硫酸銨（(NH₄)₂SO₄）或硫酸（H₂SO₄）。所述陽極活性物質可選擇與所述陽極電解液的溶質相同的物質，如鹼金屬氫氧化物等。

在上述步驟B2中，所述電解電壓可為2V至5V，優選地，該電解電壓可為2.8V至3.5V。在所述反應器200的陰極108與陽極224之間提供電解電壓後，所述陽極室114內持續進行電化學氧化反應，所述陰極室112內持續進行電化學還原反應以分解二氧化碳，並生成預期產物。所述預期產物為可循環再利用的產物，如甲酸鹽等有機產物。

實施例

陰極催化劑10的製備

步驟1：電鍍沈積液配置

取0.4mol焦磷酸鉀溶於800ml去離子水，攪拌並超聲半小時。取0.05mol酒石酸鉀鈉、0.5g明膠、0.1g十二烷基苯磺酸鈉，分別溶於所述焦磷酸鉀的水溶液中形成所述混合液。在25^oC下向所述混合液中加入0.1mol氯化亞錫，攪拌並超聲直至所述氯化亞錫完全溶解在所述混合液中，形成所述電鍍沈積液。

步驟2：電沈積

取一厚度為20微米、純度為99.9%的平整光滑銅箔浸泡於丙酮中去汙，並置於稀鹽酸中活化。選取錫錠為電鍍陽極，所述銅箔為電鍍陰極在恒定電流密度下進行電沈積。在所述電沈積結束後，取出沈積片，並以去離子水清洗後，在60^oC烘箱內烘乾，獲得錫銅陰極催化劑10，在錫銅陰極催化劑10中，所述銅箔表面物理附著一多孔的錫金屬層。請參閱圖7，從圖中可看出，所述錫金屬層中的孔隙均勻分佈。

本實施例在上述過程中分別選取不同的電流密度以及電沈積時間來測試所述陰極催化劑直接作為陰極（無所述導電支撐層）電化學還原二氧化碳的性能。

請參閱圖8，採用四種電流密度5 mA/cm²、10 mA/cm²、15 mA/cm²和20mA/cm²，電沈積10分鐘後制得電極，並採用循環伏安法測試各個電極的活性以及穩定性（銅箔標記為a₀號樣品。電沈積電流密度5 mA/cm²、10 mA/cm²、15 mA/cm²和20mA/cm²的錫銅陰極催化劑電極分別標記為a₁、a₂、a₃和a₄號樣品）。從圖中可看出，中等電流密度（10mA/ cm²和15mA/cm²）下製備的電極對二氧化碳電化學還原具有穩定的高活性，其中15mA/cm²製備的電極的穩定性和化學活性更佳。

請參閱圖9，本發明實施例進一步在較低電沈積電流密度（5 mA/cm²），以及不同的電沈積時間下制得的錫銅陰極催化劑電極，利用循環伏安法分別測試各個電極的活性。從圖中可看出，當電沈積時間為20分鐘時，制得的電極的活性和穩定性較好。

此外，將上述錫銅陰極催化劑10應用到所述反應器200中進行二氧化碳電化學還原轉化。經測試，該反應器200的電流效率達到90%，二氧化碳的轉化效率達到92%。

對比實施例1

本對比實施例中將錫銅合金層作為陰極催化劑製備的陰極對二氧化碳進行電化學還原轉化，該對比實施例中進行電化學還原轉化的反應器與所述實施例的中反應器相同，且反應條件也相同，僅陰極催化劑不同。經測試，對比實施1中採用錫銅合金層作為陰極催化劑的反應器的電流效率為80%，二氧化碳的轉化率為80%。

對比實施例2

本對比實施例2與所述對比實施例1基本相同，區別在於，陰極催化劑不同。本對比實施例2中陰極催化劑採用錫銅的合金顆粒。經測試，對比實施例2中採用錫銅的合金顆粒作為陰極催化劑的反應器的電流效率為82%，二氧化碳的轉化率達85%。

從上述對比結果可表明，本發明實施例包括錫銅陰極催化劑10的陰極對二氧化碳具有更好的電化學還原轉化效率，且採用該陰極催化劑10的反應器200具有較好的電流效率。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10．．．陰極催化劑

12．．．第一催化劑層

14．．．第二催化劑層

142．．．微孔

100．．．陰極材料

200．．．反應器

102．．．電源

104．．．腔體

106．．．電解質隔膜

108．．．陰極

110．．．陽極

112．．．陰極室

114．．．陽極室

1122．．．陰極進料口

1124．．．陰極出料口

1142．．．陽極進料口

1144．．．陽極出料口

圖1為本發明實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化的陰極催化劑的結構側視示意圖。

圖2為本發明實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化的陰極催化劑中第二催化劑層的結構示意圖。

圖3為本發明另一實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化的陰極催化劑的結構側視示意圖。

圖4為本發明實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化的陰極材料的結構側視示意圖。

圖5為本發明實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化的陰極材料的製備方法的流程圖。

圖6為本發明實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化的反應器的結構示意圖。

圖7為本發明實施例提供的用於二氧化碳電化學還原轉化的錫銅陰極催化劑中錫金屬層的掃描電鏡照片。

圖8為本發明實施例在不同電沈積電流密度下制得的錫銅陰極催化劑作為陰極的循環伏安測試對比圖。

圖9為本發明實施例在為本發明實施例在不同電沈積時間下制得的錫銅陰極催化劑作為陰極的循環伏安測試對比圖。

10．．．陰極催化劑

12．．．第一催化劑層

14．．．第二催化劑層

Claims

一種陰極催化劑，用於二氧化碳電化學還原轉化利用，其改良在於，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構，所述第一催化劑層和所述第一催化劑層之間為物理結合且所述第一催化劑層和所述第一催化劑層的材料不同。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述陰極催化劑為一自支撐結構。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述第一催化劑層為一連續且厚度均勻的層狀結構。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述第一催化劑層為一多孔的網狀結構。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述多孔結構具有複數均勻分佈的微孔，所述微孔的孔徑為10奈米至10微米。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述多孔結構的孔隙率為40%至90%。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述第一催化劑層的厚度為100奈米至200微米。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述第一催化劑層的材料包括鋅、鎘、銦、錫、鉛、鉍、鈀、鉑、銅、銀、以及金。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述第二催化劑層的材料包括鋅、鎘、銦、錫、鉛、鉍、鈀、鉑、銅、銀、以及金。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，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。
如申請專利範圍第1項所述的陰極催化劑，其中，所述陰極催化劑包括複數層所述第一催化劑層或複數層所述第二催化劑層，或同時包括複數層所述第一催化劑層以及複數層所述第二催化劑層。
如申請專利範圍第11項所述的陰極催化劑，其中，所述複數層第一催化劑層與所述複數層第二催化劑層之間交替層疊設置。
一種陰極材料，用於二氧化碳電化學還原轉化利用，其改良在於，該陰極材料包括如申請專利範圍第1至12項中任意一項所述的陰極催化劑。
如申請專利範圍第13項所述的陰極材料，其中，所述陰極材料進一步包括一導電支撐層，所述陰極催化劑設置在所述導電支撐層表面。
如申請專利範圍第14項所述的陰極材料，其中，所述導電支撐層為一具有複數通孔的多孔網狀結構。
如申請專利範圍第15項所述的陰極材料，其中，所述導電支撐層為一三維立體結構，該導電支撐層的厚度為2毫米至30毫米。
一種反應器，用於二氧化碳電化學還原轉化利用，包括：
一電源；
一腔體；
一電解質隔膜設置在該腔體中，並將該腔體分隔為陰極室以及陽極室；
一陽極設置在所述陽極室內；以及
一陰極設置在所述陰極室內；
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，其改良在於，該陰極材料包括如申請專利範圍第1至12項中任意一項所述的陰極催化劑。
如申請專利範圍第17項所述的反應器，其中，所述第一催化劑層設置在所述第二催化劑層與所述電解質隔膜之間。
一種陰極材料的製備方法，該陰極材料用於二氧化碳電化學還原轉化利用，包括以下步驟：
配置一電鍍沈積液；
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沈積液中進行電沈積，使所述第二催化劑材料沈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
乾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構，且該鍍層與所述第一催化劑片之間為物理結合。
如申請專利範圍第19項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述多孔結構具有複數均勻分佈的微孔，所述微孔的孔徑為10奈米至10微米。
如申請專利範圍第19項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述電鍍沈積液通過如下步驟配置：
提供一絡合劑以及一酒石酸鹽；
並將所述絡合劑與所述酒石酸鹽混合形成一混合液；以及
將一主鹽溶於所述混合液中，形成所述電鍍沈積液，該主鹽含有所述第二催化劑材料元素。
如申請專利範圍第21項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述電鍍沈積液在小於40^oC的溫度環境下進行配置。
如申請專利範圍第21項所述的陰極材料的製備方法，其中，進一步包括加入至少一添加劑的步驟，所述添加劑用於增強所述電鍍陰極的極化。
如申請專利範圍第21項所述的陰極材料的製備方法，其中，進一步包括加入一表面活性劑的步驟，所述表面活性劑用於所述電鍍陰極以及電鍍陽極與所述電鍍沈積液間的介面張力。
如申請專利範圍第21項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述絡合劑與所述酒石酸鹽的摩爾比為3:1至20:1。
如申請專利範圍第19項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述電沈積在溫度不超過60^oC的環境下進行。
如申請專利範圍第19項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述電沈積在一恒定電流密度下進行，所述電流密度為5毫安培/平方釐米至30毫安培/平方釐米。
如申請專利範圍第19項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述所述電沈積的時間可為1分鐘至50分鐘。
如申請專利範圍第19項所述的陰極材料的製備方法，其中，所述乾燥的溫度小於等於60^oC。