公布日：2023.09.01

申請日：2023.06.05

分類號：C25B11/032(2021.01)I;C25B1/23(2021.01)I;C25B11/052(2021.01)I

摘要

本發明公開了一種污泥基氣體擴散電極的制備方法及其應用，涉及電催化、固廢資源化以及碳中和技術領域，所述污泥基氣體擴散電極包括調質污泥灰、污泥熱解碳和基底，所述污泥基氣體擴散電極應用于電催化還原CO2制CO；本發明充分利用污泥熱解碳富氮、污泥焚燒灰富含硅鈣鐵等特性，增強氣體擴散電極整體的電子轉移能力、堿性和疏水性，具有成本低、疏水性強、對CO2吸附效率高以及能夠顯著加強電子轉移的優點，提高電催化CO2還原制CO效率。

權利要求書

1.一種污泥基氣體擴散電極，其特征在于：包括調質污泥灰、污泥熱解碳和基底。

2.一種權利要求1所述的污泥基氣體擴散電極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將市政污泥煅燒，研磨，得到污泥灰；(2)向污泥灰中加入氫氧化鈉溶液，攪拌，過濾，得到一次濾渣和一次濾液；將一次濾渣加酸調節pH值至1-2，過濾，干燥固相，球磨，得到調質污泥灰1；將一次濾液加堿調節pH值至3-4，過濾，得到二次濾渣和二次濾液；將二次濾渣干燥，研磨，得到調質污泥灰2；將二次濾液加堿調節pH值至10-12，過濾，干燥固相，研磨，得到調質污泥灰3；(3)將市政污泥在氮氣氛圍中熱解，研磨，得到污泥熱解碳；(4)將污泥熱解碳和調質污泥灰1、調質污泥灰2、調質污泥灰3混合研磨，在氫氣氛圍下熱處理，得到粉末；(5)將步驟(4)得到的粉末與無水乙醇、Nafion溶液混合均勻后噴涂于基底上，烘干，即得氣體擴散電極。

3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中：所述市政污泥是在500～700℃下于空氣氛圍中煅燒2～6h；優選地，所述市政污泥是在600℃下于空氣氛圍中煅燒4h；所述污泥灰中鐵化合物的質量分數≥10％，硅化合物的質量分數≥20％，鈣化合物的質量分數≥10％。

4.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中：所述氫氧化鈉溶液的質量分數為1～4％；所述酸為鹽酸、硫酸、硝酸中的一種或幾種，濃度為0.05～0.2mol/L；優選地，所述酸為鹽酸；所述堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水中的一種或幾種，濃度為0.05～0.2mol/L；優選地，所述堿為氫氧化鈉。

5.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中：所述市政污泥是在500～700℃下于氮氣氛圍中煅燒0.5～2h；優選地，所述市政污泥是在600℃下于氮氣氛圍中煅燒1h。

6.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中：所述熱處理的溫度為350～550℃，時間為0.5～2h；優選地，所述熱處理的溫度為450℃，時間為1h。

7.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(5)中：所述粉末與無水乙醇、Nafion溶液的用量比為(0.05～0.1g):(1～2mL):(0.1～0.2mL)；優選地，所述粉末與無水乙醇、Nafion溶液的用量比為0.1g:2mL:0.2mL；所述Nafion溶液的質量分數為5％；所述基底為金屬網或者碳紙；所述污泥基氣體擴散電極包括60～80％污泥熱解碳、5～10％調質污泥灰1，10～20％調質污泥灰2和5～10％調質污泥灰3，以重量百分比計。

8.根據權利要求2-7任一項所述的制備方法得到的污泥基氣體擴散電極。

9.權利要求8所述的污泥基氣體擴散電極在電催化還原CO2制CO中的應用。

10.如權利要求9所述的應用，其特征在于：所述氣體擴散電極的用量為1～5mg/cm2，其中cm2是以氣體擴散電極的面積計。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術中氣體擴散電極材料成本高、材料性能要求多和污泥環境污染、資源化利用途徑少的不足，提供一種污泥基氣體擴散電極的制備方法及其在電催化還原CO2制CO中的應用，充分利用污泥熱解碳富氮、污泥焚燒灰富含硅鈣鐵等特性，增強氣體擴散電極整體的電子轉移能力、堿性和疏水性，具有成本低、疏水性強、對CO2吸附效率高以及能夠顯著加強電子轉移的優點，提高電催化CO2還原制CO效率。

本發明所要解決的技術問題采用以下的技術方案來實現：

本發明的目的之一是提供一種污泥基氣體擴散電極，包括調質污泥灰、污泥熱解碳和基底。

本發明的目的之二是提供一種污泥基氣體擴散電極的制備方法，包括以下步驟：

(1)將市政污泥煅燒，研磨，得到污泥灰；

(2)向污泥灰中加入氫氧化鈉溶液，攪拌，過濾，得到一次濾渣和一次濾液；將一次濾渣加酸調節pH值至1-2，過濾，干燥固相，球磨，得到調質污泥灰1；將一次濾液加堿調節pH值至3-4，過濾，得到二次濾渣和二次濾液；將二次濾渣干燥，研磨，得到調質污泥灰2；將二次濾液加堿調節pH值至10-12，過濾，干燥固相，研磨，得到調質污泥灰3；

(3)將市政污泥在氮氣氛圍中熱解，研磨，得到污泥熱解碳；

(4)將污泥熱解碳和調質污泥灰1、調質污泥灰2、調質污泥灰3混合研磨，在氫氣氛圍下熱處理，得到粉末；

(5)將步驟(4)得到的粉末與無水乙醇、Nafion溶液混合均勻后噴涂于基底上，烘干，即得氣體擴散電極。

本發明的目的之三是提供一種根據前述的制備方法得到的污泥基氣體擴散電極。

本發明的目的之四是提供前述的污泥基氣體擴散電極在電催化還原CO2制CO中的應用。

本發明的有益效果是：

1、本發明提供的污泥基氣體擴散電極，其主要增益成分均來自污水處理廠副產物污泥，屬于固體廢棄物資源化利用，有效地降低了氣體擴散電極的生產成本，具有廣闊的市場應用前景；

2、本發明提供的氣體擴散電極具有較強的堿性，能夠大幅提高在低CO2濃度的工業煙氣流中對CO2吸附性能，改善工業煙氣流中低濃度CO2向催化層的傳質阻力，增強對工業煙氣的電還原性能；

3、本發明提供的氣體擴散電極具有較強的疏水性，能夠有效防止“水淹”現象；

4、本發明提供的氣體擴散電極導電性好，電子轉移能力強，能夠顯著加強金屬活性位點的電子富集程度，有利于CO2活化與反應。

5、本發明提供的氣體擴散電極的制備方法具有操作簡單、所有原料廉價易得的優點。

（發明人：蘇明雪;李寧;朱兵）