本發(fā)明屬于電化學(xué)催化、二氧化碳利用、可再生能源領(lǐng)域，具體涉及一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法及制備的三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極在電化學(xué)co2還原反應(yīng)中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、針對(duì)全球能源危機(jī)和氣候變化，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和燃料已成為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。在多種技術(shù)方法中，二氧化碳電化學(xué)還原（co2rr）可在溫和條件下進(jìn)行，有望應(yīng)用于二氧化碳資源化利用、可再生能源開發(fā)，引起了多學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)注。

2、氣體擴(kuò)散電極（gde）通過有效形成三相反應(yīng)界面，在催化劑表面微環(huán)境維持高co2濃度，并改善傳質(zhì)效果，從而使電流密度比傳統(tǒng)浸沒于電極液中使用的平板電極高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，可極大地提高電化學(xué)反應(yīng)速率。然而，氣態(tài)co2進(jìn)料會(huì)導(dǎo)致局部環(huán)境發(fā)生變化，造成基于現(xiàn)有技術(shù)制備的gde的活性、穩(wěn)定性下降。例如，co2rr通常在陰極液中添加高濃度的無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)。然而，無論是堿性、中性、還是酸性條件，催化劑表面均會(huì)因?yàn)橄|(zhì)子的高速反應(yīng)，導(dǎo)致局部變堿。當(dāng)超過一定的溶解度時(shí)，會(huì)使得co2與堿金屬形成沉淀析出。沉淀的析出會(huì)堵塞氣態(tài)co2的傳質(zhì)孔道，降低gde的疏水性，帶來水淹風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致co2還原活性、穩(wěn)定性下降。此外，由于使用了含有高濃度無機(jī)堿金屬陽離子的陰極液，液態(tài)產(chǎn)物，如甲酸、乙酸等會(huì)與堿金屬混合，需要額外的高能耗下游工藝（如蒸餾）進(jìn)行產(chǎn)物分離，降低了co2rr技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。因此，亟待創(chuàng)新gde制備方法，通過微環(huán)境工程手段來提升活性、穩(wěn)定性，并避免在陰極液中添加無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法及應(yīng)用，所述方法在氣體擴(kuò)散基底上分催化層、陽離子層、保護(hù)層等3層分層制備。催化層、陽離子層、保護(hù)層分別發(fā)揮催化co2rr、調(diào)節(jié)微環(huán)境、防止陽離子泄露等作用。這種方法制備的三明治構(gòu)型陰極在應(yīng)用于二氧化碳電化學(xué)還原反應(yīng)中時(shí)，具有高活性、高穩(wěn)定性，且避免在陰極液中添加無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)。基于本發(fā)明，可通過微環(huán)境工程手段制備gde，提高二氧化碳電化學(xué)還原的性能。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，在氣體擴(kuò)散基底上分3層，并按以下步驟制備：

3、步驟一、在氣體擴(kuò)散基底上涂催化層

4、取預(yù)定比例的催化劑、離聚體粉末、有機(jī)醇，混和均勻后得到導(dǎo)電墨水；以包括噴涂、滴涂的方式，將導(dǎo)電墨水均勻涂至氣體擴(kuò)散基底上，在氣體擴(kuò)散基底上涂上催化層；

5、步驟二、在催化層上涂陽離子層

6、取預(yù)定比例的堿金屬氫氧化物或有機(jī)陽離子、有機(jī)醇、離聚體粉末，混和均勻后，以包括噴涂、滴涂的方式，均勻地涂至步驟一制備的催化層上，在催化層上涂陽離子層；

7、步驟三、在陽離子層上涂保護(hù)層

8、取預(yù)定比例的離聚體粉末、有機(jī)醇，混和均勻后，以包括噴涂、滴涂的方式，均勻地涂至步驟二制備的陽離子層上，在陽離子層上涂保護(hù)層。

9、在本發(fā)明一實(shí)施例中，催化層中的催化劑具有二氧化碳還原能力，獲得包括甲酸、co的一碳產(chǎn)物，或獲得包括乙烯的二碳及以上產(chǎn)物。

10、在本發(fā)明一實(shí)施例中，在制備催化層時(shí)形成的導(dǎo)電墨水中，加入包括碳黑、石墨烯、碳納米管的碳材料，以提高導(dǎo)電性。

11、在本發(fā)明一實(shí)施例中，導(dǎo)電墨水的配方為：0.02~0.5?g的催化劑+0.005~0.02?g碳材料+200~1000?μl有機(jī)醇+50~200?μl的離聚體粉末。

12、在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述氣體擴(kuò)散基底為碳紙型或聚四氟乙烯（ptfe）型。

13、在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述有機(jī)醇為異丙醇、乙醇。

14、在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述離聚體粉末具有離子交換的能力，使用包括piperion、sustainion、qappt、aquivion、nafion、femion的商業(yè)化離聚體。

15、在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述堿金屬氫氧化物包括koh、csoh，以提供具有較大離子半徑的堿金屬陽離子。

16、在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述有機(jī)陽離子為包括咪唑類、吡啶類、季銨鹽的陽離子。

17、本發(fā)明還提供了一種基于上述所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法制備的三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極的應(yīng)用，三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極裝配于包括流動(dòng)電池、膜電極組件（mea）的電化學(xué)二氧化碳還原模塊，進(jìn)行co2的電化學(xué)還原反應(yīng)，具有高活性、高穩(wěn)定性，且能夠避免在陰極液中添加無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)。

18、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明可通過微環(huán)境工程手段構(gòu)建一種三明治構(gòu)型的gde；無需依賴于高性能陰極催化劑的工發(fā)；全程均使用商業(yè)化材料，易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)；避免在陰極液中添加無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)；可防止co2與堿金屬形成沉淀析出，導(dǎo)致的堵塞氣態(tài)co2的傳質(zhì)孔道、co2還原活性下降、穩(wěn)定性下降等系列風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)應(yīng)用該三明治構(gòu)型的gde，還原co2生產(chǎn)液態(tài)產(chǎn)物（如甲酸、乙酸）時(shí)，因?yàn)榭杀苊庠陉帢O液中添加無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)，故不存在產(chǎn)物與堿金屬混合的問題，避免使用額外的高能耗下游工藝（如蒸餾）進(jìn)行產(chǎn)物分離。

技術(shù)特征：

1.一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，在氣體擴(kuò)散基底上分3層，并按以下步驟制備：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，催化層中的催化劑具有二氧化碳還原能力，獲得包括甲酸、co的一碳產(chǎn)物，或獲得包括乙烯的二碳及以上產(chǎn)物。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，在制備催化層時(shí)形成的導(dǎo)電墨水中，加入包括碳黑、石墨烯、碳納米管的碳材料，以提高導(dǎo)電性。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，導(dǎo)電墨水的配方為：0.02~0.5?g的催化劑+0.005~0.02?g碳材料+200~1000?μl有機(jī)醇+50~200?μl的離聚體粉末。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，所述氣體擴(kuò)散基底為碳紙型或聚四氟乙烯（ptfe）型。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，所述有機(jī)醇為異丙醇、乙醇。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，所述離聚體粉末具有離子交換的能力，使用包括piperion、sustainion、qappt、aquivion、nafion、femion的商業(yè)化離聚體。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，所述堿金屬氫氧化物包括koh、csoh，以提供具有較大離子半徑的堿金屬陽離子。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法，其特征在于，所述有機(jī)陽離子為包括咪唑類、吡啶類、季銨鹽的陽離子。

10.一種基于權(quán)利要求1-9任一所述的一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法制備的三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極的應(yīng)用，其特征在于，裝配于包括流動(dòng)電池、膜電極組件（mea）的電化學(xué)二氧化碳還原模塊，進(jìn)行co2的電化學(xué)還原反應(yīng)，具有高活性、高穩(wěn)定性，且能夠避免在陰極液中添加無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極制備方法及應(yīng)用，屬于電化學(xué)催化、二氧化碳利用、可再生能源領(lǐng)域。所述制備方法在氣體擴(kuò)散基底上分催化層、陽離子層、保護(hù)層等3層分層制備；催化層、陽離子層、保護(hù)層分別發(fā)揮催化CO<subgt;2</subgt;還原、調(diào)節(jié)微環(huán)境、防止陽離子泄露等作用。所述方法制備的三明治構(gòu)型的氣體擴(kuò)散電極GDE在應(yīng)用時(shí)，可裝配于流動(dòng)電池、膜電極組件（MEA）等電化學(xué)二氧化碳還原模塊，進(jìn)行CO<subgt;2</subgt;的電化學(xué)還原反應(yīng)，具有高活性、高穩(wěn)定性，且能夠避免在陰極液中添加無機(jī)堿金屬陽離子來抑制析氫副反應(yīng)。基于本發(fā)明，可通過微環(huán)境工程手段制備GDE，提高二氧化碳電化學(xué)還原反應(yīng)的性能。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣永,鄭雪,劉丹
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福建農(nóng)林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6