一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法和应用

本发明属于碳材料制备，具体地，涉及一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法和应用。

背景技术：

1、我国产业高碳特征显著，工业绿色低碳转型难度大，发展先进ccus(碳捕捉、利用与封存技术)势在必行。co2电化学还原(co2rr)技术可将co2、水和可再生电能转化为高附加值化学品或燃料，设计和制造高性能、低成本的催化剂是关键。目前大多数催化剂存在如下问题，一是价格昂贵，二是制备过程复杂、冗长，不适合大规模工业化生产。因此，如何低成本、高值化、低碳化制备co2rr催化剂是一亟待解决的问题。

2、众多co2rr催化剂中，在较大的电流密度和较大的过电势下，单原子ni催化剂仍具有超高的co选择性，引起了广泛关注。单原子ni的表面能高，为保持其稳定性，需要将其负载于载体上。碳材料由于具有化学稳定性高、比表面积大、导电性好等优点，具有显著的优势。

3、钢铁为我国经济支撑产业，焦炭又是炼钢行业不可或缺的炉料。炼焦过程中产生大量的焦化副产物煤焦油。煤焦油富含稠环芳烃、资源丰富，孔隙结构可调，电导率高、成本较低，具有制备高导电碳材料的天然优势。以煤焦油为原料，制备镍单原子-氮共掺杂催化剂，用于co2rr，既可以实现煤焦油的高附加值利用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种煤焦油基镍单原子-氮-碳体相电催化剂的快速制备方法和应用，本发明以煤焦油为碳源，采用静电纺丝和焦耳热法，通过高效、快速的方式，实现了低成本、低碳排放法制备co2rr催化剂，其性能优异。本发明可为低成本电催化剂的制备提供借鉴，同时为煤焦油的高附加值利用提供了新思路。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种煤焦油基镍单原子-氮-碳体相电催化剂的快速制备方法，包括以下步骤：

4、1)取2.4-4.0g聚丙烯腈(pan)溶于10ml的n,n-二甲基甲酰胺(dmf)，超声20min，得到样品一；

5、2)将样品一在室温下磁力搅拌20min；

6、3)取0-1.6g煤焦油溶于5ml的dmf，超声20min，得到样品二；

7、4)缓慢向样品一中加入样品二，在室温下磁力搅拌20min；

8、5)取80mg酞菁镍溶于5ml的dmf，超声20min，得到样品三；

9、6)向步骤4)中的样品中缓慢加入样品三，在室温下磁力搅拌20min，然后超声20min，得到样品四；

10、7)将样品四在室温下磁力搅拌12h，使得上述金属盐、煤焦油及聚合物完全溶解于溶剂中，从而制得均匀透明的纺丝溶液；

11、8)将步骤7)中的纺丝溶液注入注射器中，利用静电纺丝技术制得煤焦油基镍纳米纤维膜；

12、9)将步骤8)得到的纳米纤维膜置于马弗炉中，在空气氛围下，以1℃·min-1的升温速率加热至280℃，并恒温3h，进行预氧化处理；

13、10)预氧化后，利用焦耳热法，在5-13s内升温至900-1500℃并恒温110s，进行碳化处理，得到煤焦油基镍单原子-氮-碳体相电催化剂。焦耳热碳化过程中，电压设置为40v，电流约为70-145a。

14、本发明的另一个目的在于提供一种通过上述制备方法制得的电催化剂，以及该电催化剂在co2电化学还原领域中的应用。

15、本发明的有益效果：

16、1、本发明利用静电纺丝和焦耳热法，实现了以快速、节能的方式制备煤焦油基镍单原子-氮-碳体相电催化剂，用于co2rr。焦耳热法，可在十几秒内完成千度的加热，使酞菁镍的ni-n4对称结构变为不对称结构(ni-nx,4＞x＞0)，此结构的co选择性更高。总的来说，该类催化剂成本低、性能优。

17、2、本发明工艺稳定，操作简单，易于批量化、规模化生产。

18、3、本发明实现了以成本低廉的煤焦油为碳源，制备过程高效、节能，为高效co2rr催化剂的制备提供了新的选择，同时可以拓展煤焦油新的应用领域。

技术特征：

1.一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈、煤焦油和酞菁镍的用量比为2.4-4.0g:0-1.6g:80mg。

3.根据权利要求1所述的一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法，其特征在于，步骤8)中的纺丝采用静电纺丝法。

4.根据权利要求1所述的一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法，其特征在于，步骤9)中预氧化处理参数为：在空气氛围下，以1℃·min-1的升温速率加热至280℃，并恒温3h。

5.根据权利要求1所述的一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法，其特征在于，步骤10)中碳化处理参数为：在5-13s内升温至900-1500℃并恒温110s。

6.根据权利要求1所述的一种煤焦油基电催化剂的快速制备方法，其特征在于，步骤10)中焦耳热碳化过程中，电压设置为40v，电流为70-145a。

7.一种煤焦油基电催化剂，其特征在于，根据权利要求1-6任一项所述的方法制备而成。

8.根据权利要求7所述的一种煤焦油基电催化剂在co2电化学还原领域中的应用。

技术总结本发明公开了一种煤焦油基镍单原子‑氮‑碳体相电催化剂的快速制备方法和应用，属于碳材料制备技术领域。本发明以煤焦油为碳材料，酞菁镍为镍源，将煤焦油、聚丙烯晴和酞菁镍溶于DMF得到纺丝液；利用静电纺丝技术制备煤焦油基镍纳米纤维膜，将其置于马弗炉中进行280℃预氧化；然后通过焦耳热法在900‑1500℃碳化，得到煤焦油基镍单原子‑氮‑碳体相电催化剂，用于CO2电化学还原，其CO法拉第效率可达98％。本发明以煤焦油为碳源，采用静电纺丝和焦耳热技术，通过快速、节能的方式，实现了低成本、低碳排放法制备CO2电催化剂，同时为煤焦油的高附加值利用提供了新思路。技术研发人员：蔚德磊,程源晟,刘祥春,吕耀辉,张宁,谢瑞伦,陈瑶,魏先文受保护的技术使用者：安徽工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20