一种金属气相扩散电极、制备方法及工作电极与流程

本申请涉及电催化co2还原反应，特别涉及一种金属气相扩散电极、制备方法及工作电极。

背景技术：

1、采用可再生绿色电能催化co2还原为高附加值燃料或者大宗化学品，是实现co2“资源化”利用的重要手段。但是，由于co2分子极高的热力学稳定性导致反应活性非常低；其次，co2的还原涉及多个质子/电子转移过程因而单一产物选择性很差，尤其是高价值、高能量密度的c2+产物；另外，反应中不可避免的析氢竞争反应及产物极高的分离能耗进一步限制了电催化co2还原在工业生产中的大规模应用。因此，高性能电催化剂的设计制备成为解决电催化co2还原瓶颈的关键。

2、从催化剂层面来说，目前的研究已取得了丰硕的成果，但是c2+产物的活性&选择性、催化剂的长期稳定性、体系整体的电流密度和高昂的电极制备成本，仍难以满足人们的实际生产需求。现阶段，电催化co2还原电极通常是以导电碳纸为基底，通过喷涂、旋涂、刮涂等手段将催化剂与粘结剂的混合液涂覆于碳纸表面，干燥成膜后作为工作电极进行ecr性能评估。但是粘结剂的使用容易引起材料导电性降低、活性位点覆盖，导致体系整体电流密度的衰减；同时物理粘接的催化剂在测试环境下容易剥离，影响电极长时间运行稳定性；另外碳纸本身价格高昂且较脆，容易破损引发“水淹”。

3、基于目前涂覆电极制备中存在的缺陷，有必要对其制备工艺进行创新性改进。

技术实现思路

1、鉴于此，有必要针对现有技术存在的技术缺陷提供一种可显著提高电极稳定性的金属气相扩散电极、制备方法及工作电极。

2、为解决上述问题，本申请采用下述技术方案：

3、本申请目的之一，提供了一种金属气相扩散电极，包括依次层叠设置的基底层、双功能共聚物层和金属层，且所述双功能共聚物层通过化学键分别与所述基底层和所述金属层紧密连接。

4、在其中一些实施例中，所述基底层包括疏水透气膜，所述疏水透气膜包括但不限于聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜、聚乙烯亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯。

5、在其中一些实施例中，所述疏水透气膜为进行单面亲水性处理的ptfe膜。

6、在其中一些实施例中，所述双功能共聚物层由烯基硅氧烷和烯基季铵碱中的至少一种共聚。

7、在其中一些实施例中，所述双功能共聚物层由3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和2-(甲基丙烯酰氧)乙基三甲基氯化铵单体的共聚。

8、在其中一些实施例中，所述金属层包括ni、cu、ag、bi、sn中的至少一种。

9、在其中一些实施例中，所述金属层为cu。

10、本申请目的之二，提供了一种金属气相扩散电极的制备方法，包括下述步骤：

11、对基底进行单面亲水性处理以形成基底层；

12、对亲水性处理的一面进行硅烷化反应以形成硅氧键；

13、对硅氧键的一面进行共聚反应以形成双功能共聚物层；

14、对所述双功能共聚物层进行静电吸附处理再沉积金属以形成金属层。

15、在其中一些实施例中，所述基底层包括疏水透气膜，所述疏水透气膜包括但不限于聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜、聚乙烯亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯。

16、在其中一些实施例中，所述疏水透气膜为进行单面亲水性处理的ptfe膜。

17、在其中一些实施例中，所述双功能共聚物层由烯基硅氧烷和烯基季铵碱中的至少一种共聚。

18、在其中一些实施例中，所述双功能共聚物层由3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和2-(甲基丙烯酰氧)乙基三甲基氯化铵单体的共聚。

19、在其中一些实施例中，所述金属层包括ni、cu、ag、bi、sn中的至少一种。

20、在其中一些实施例中，所述金属层为cu。

21、本申请目的之三，提供了一种工作电极，包括所述的金属气相扩散电极，所述金属气相扩散电极与外接供电单元的负极连接。

22、本申请采用上述技术方案，其有益效果如下：

23、本申请提供的金属气相扩散电极及其制备方法，包括依次层叠设置的基底层、双功能共聚物层和金属层，且所述双功能共聚物层通过化学键分别与所述基底层和所述金属层紧密连接，由于化学键键连能够突破物理粘连导电性差、活性位点覆盖、测试过程易剥离和电极制备流程复杂的难题，能够显著提高电极稳定性；另外，通过基底层疏水透气性能的优化和双功能共聚物层聚合度/厚度的调控，能够显著改善近催化剂表面微环境，有效提高电催化co2还原反应活性和多碳产物选择性；同时，再加上普适性的金属层生长策略，可以通过不同种类单一金属或多元合金的选择性优化，可控调节单一产物尤其是多碳产物的活性和选择性。

技术特征：

1.一种金属气相扩散电极，其特征在于，包括依次层叠设置的基底层、双功能共聚物层和金属层，且所述双功能共聚物层通过化学键分别与所述基底层和所述金属层紧密连接。

2.如权利要求1所述的金属气相扩散电极，其特征在于，所述基底层包括疏水透气膜，所述疏水透气膜包括但不限于聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜、聚乙烯亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯。

3.如权利要求2所述的金属气相扩散电极，其特征在于，所述疏水透气膜为进行单面亲水性处理的ptfe膜。

4.如权利要求1所述的金属气相扩散电极，其特征在于，所述双功能共聚物层由烯基硅氧烷和烯基季铵碱中的至少一种共聚。

5.如权利要求4所述的金属气相扩散电极，其特征在于，所述双功能共聚物层由3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和2-(甲基丙烯酰氧)乙基三甲基氯化铵单体的共聚。

6.如权利要求1所述的金属气相扩散电极，其特征在于，所述金属层包括ni、cu、ag、bi、sn中的至少一种。

7.如权利要求6所述的金属气相扩散电极，其特征在于，所述金属层为cu。

8.一种金属气相扩散电极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

9.如权利要求8所述的金属气相扩散电极的制备方法，其特征在于，所述基底层包括疏水透气膜，所述疏水透气膜包括但不限于聚四氟乙烯膜、聚氨酯膜、聚乙烯亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯。

10.如权利要求9所述的金属气相扩散电极的制备方法，其特征在于，所述疏水透气膜为进行单面亲水性处理的ptfe膜。

11.如权利要求8所述的金属气相扩散电极的制备方法，其特征在于，所述双功能共聚物层由烯基硅氧烷和烯基季铵碱中的至少一种共聚。

12.如权利要求11所述的金属气相扩散电极的制备方法，所述双功能共聚物层由3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷和2-(甲基丙烯酰氧)乙基三甲基氯化铵单体的共聚。

13.如权利要求8所述的金属气相扩散电极的制备方法，所述金属层包括ni、cu、ag、bi、sn中的至少一种。

14.如权利要求13所述的金属气相扩散电极的制备方法，所述金属层为cu。

15.一种工作电极，其特征在于，包括权利要求1所述的金属气相扩散电极，所述金属气相扩散电极与外接供电单元的负极连接。

技术总结本申请提供的金属气相扩散电极及其制备方法，包括依次层叠设置的基底层、双功能共聚物层和金属层，且所述双功能共聚物层通过化学键分别与所述基底层和所述金属层紧密连接，由于化学键键连能够突破物理粘连导电性差、活性位点覆盖、测试过程易剥离和电极制备流程复杂的难题，能够显著提高电极稳定性；另外，通过基底层疏水透气性能的优化和双功能共聚物层聚合度/厚度的调控，能够显著改善近催化剂表面微环境，有效提高电催化CO<subgt;2</subgt;还原反应活性和多碳产物选择性；同时，再加上普适性的金属层生长策略，可以通过不同种类单一金属或多元合金的选择性优化，可控调节单一产物尤其是多碳产物的活性和选择性。技术研发人员：张小龙,王光明受保护的技术使用者：深圳先进技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/4/17