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一种将CO2转化为金属 碳化物 镀层及O2的熔盐电化学方法

阅读：593发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，包括以下步骤：以碳酸盐为电解质，以高熔点金属为阴极，以镍基金属为惰性阳极，将CO2连续通入熔融的电解质中进行电解，在金属阴极表面得到金属碳化物镀层，同时在阳极获得氧气。本发明的电化学方法直接以CO2作为碳源，将其在电解条件下与金属基底直接反应，转化为金属碳化物镀层及O2，一方面可以实现任意外形金属表面金属碳化物镀层的生成，该金属碳化物镀层硬度高、耐磨，且具有良好的催化产氢性能，另外，本发明方法可消耗掉CO2，实现温室气体的减排。，下面是一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，其特征在于，包括以下步骤：以碳酸盐为电解质，以高熔点金属为阴极，以镍基金属为惰性阳极，将CO2连续通入熔融的电解质中进行电解，在金属阴极表面得到金属碳化物镀层，同时在阳极获得氧气。
2.根据权利要求1所述的将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，其特征在于，所述碳酸盐为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸镁中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，其特征在于，所述高熔点金属为Fe、Co、Ni、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中的一种。
4.根据权利要求1所述的将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，其特征在于，所述镍基金属为Ni、Ni11Fe10Cu 合金、NiCr合金中的一种。
5.根据权利要求1所述的将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，其特征在于，CO2连续通入熔融的电解质中CO2的流速为20～100mL/min。
6.根据权利要求1所述的将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，其特征在于，所述电解温度为450～950℃，电解时间为5min～12h，电解的方式为恒电流电解、恒槽压电解、脉冲电解中的一种，其中恒电流电解的阴极电流密度为0.1～5A cm-2；恒槽压电解的电压为2.0～3.2V，脉冲电解的电流密度有效值为0.1～5A cm-2或电压有效值为2.0～
3.2V，脉冲宽度为60ms～5s，脉冲间隔为100ms～5s。
7.一种根据权利要求1-6任一所述方法得到的带金属碳化物镀层的材料，其特征在于，所述金属碳化物镀层厚度为3～10μm。
8.根据权利要求7所述的带金属碳化物镀层的材料在耐磨材料或电解析氢方面的应用。

说明书全文

一种将CO2转化为金属碳化物 镀层及O2的熔盐电化学方法

技术领域

[0001] 本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法。

背景技术

[0002] 人类工业化过程使得大气中CO2含量不断上升，引起的温室效应导致全球气候变暖、冰川融化、物种加速灭绝等一系列环境问题，威胁人类的可持续发展。

[0003] 碳化物具有熔点高、机械性能强且具有优异的电催化活性，因此被广泛应用于耐磨器件及电催化电极领域。当前，碳化物的制备主要有两种方法：一种是由金属与碳单质在还原性气氛或真空条件下高温合成，如中国专利号CN201710409843.0中将球磨后的钨粉、钼粉、钽粉和石墨粉一起置于保护气氛下高温合成碳化物。该方法反应温度较高、时间长且生成的是粉末碳化物，不易于收集。另外一种常用的方法是采用电化学的方法，在熔盐中电解金属氧化物和单质碳或有机物的混合粉末，金属氧化物电解还原生成的金属颗粒在高温下与无机碳或有机物热解后的碳源化合成金属碳化物。这种方法所获产物也是粉末状碳化物，不易于高效收集。

[0004] 另外，由目前已经公开的资料来看，现有的熔盐电化学法制备碳化物的技术利用的都是以单质碳或有机碳源为原料，无法在制备碳化物的同时实现温室气体的减排。另外，现有方法所获碳化物均为粉末状，不能实现在器件表面一步原位生成功能性金属碳化物镀层。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，能有效将CO2转化为氧气，且可实现在金属器件表面原位生成功能性金属碳化物镀层，生成的金属碳化物镀层可以增强金属器件的硬度和耐磨性，并可用作电解催化析氢的催化剂。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

[0007] 提供一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法，包括以下步骤：以碳酸盐为电解质，以高熔点金属为阴极，以镍基金属为惰性阳极，将CO2连续通入熔融的电解质中进行电解，在金属阴极表面得到金属碳化物镀层，同时在阳极获得氧气。

[0008] 按上述方案，所述碳酸盐为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸镁中的一种或两种以上。

[0009] 按上述方案，所述高熔点金属为Fe、Co、Ni、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W中的一种。

[0010] 按上述方案，所述镍基金属为Ni、Ni11Fe10Cu 合金、NiCr合金中的一种。

[0011] 按上述方案，CO2连续通入熔融的电解质中CO2的流速为20～100mL/min。

[0012] 按上述方案，所述电解温度为450～950℃，电解时间为5min～12h，电解的方式为恒电流电解、恒槽压电解、脉冲电解中的一种，其中恒电流电解的阴极电流密度为0.1～5A cm-2；恒槽压电解的电压为2.0～3.2V，脉冲电解的电流密度有效值为0.1～5A cm-2或电压有效值为2.0～3.2V，脉冲宽度为60ms～5s，脉冲间隔为100ms～5s。

[0013] 本发明还包括根据上述方法得到的带金属碳化物镀层的材料，所述金属碳化物镀层厚度为3～10μm。

[0014] 以及上述带金属碳化物镀层的材料在耐磨材料或电解析氢方面的应用。

[0015] 本发明的有益效果在于：1、本发明的电化学方法直接以CO2作为碳源，将其在电解条件下与金属基底直接反应，转化为金属碳化物镀层及O2，一方面可以实现任意外形金属表面金属碳化物镀层的生成，另外可消耗掉CO2，实现温室气体的减排。2、本发明得到的带金属碳化物镀层的材料的硬度几乎是基底材料硬度的3倍，表面耐磨性也显著提高，用于高转数运转器材，精密工具，高精度模具等表面以提高其性能，延长使用寿命，另外，合成的金属碳化物镀层材料相对于基底材料在电解析氢反应中催化产氢性能得到了提高，例如含碳化钼镀层的钼片拥有了比纯钼片低很多的过电位，即更易发生产氢反应，因而可用作电解析氢的催化剂。附图说明

[0016] 图1为本发明实施例1所制备的电解产物及原始阴极金属的XRD图；

[0017] 图2为实施例1所制备的电解产物的电镜图。

[0018] 图3为实施例2所制备的电解产物及原始阴极金属的XRD图；

[0019] 图4为实施例2所制备的电解产物的电镜图；

[0020] 图5为实施例1所制备的电解产物及原始阴极金属的催化产氢极化曲线。

具体实施方式

[0021] 为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

[0022] 实施例1

[0023] 一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法：将250g碳酸锂置于高温炉内，升温至300℃干燥48h除去水分，再升温至900℃使熔盐熔化得到碳酸锂熔盐，以50mL/min的流速向碳酸锂熔盐中通入CO2，以镍铬合金为阳极，钼片为阴极，在3.1V下恒压电解2h，电解结束后，取出阴极，待其冷至室温后，分别用稀盐酸浸洗两到三次，然后分别用去离子水与乙醇清洗三次去除表面粘附的电解质。

[0024] 电解过程通入6L二氧化碳，其中电解过程消耗30％CO2，得到1.8L O2。

[0025] 经XRD分析，经电解后，金属钼电极表面出现了Mo2C的衍射峰(见附图1)，说明生成了Mo2C，电镜分析表面Mo2C镀层厚度约8微米(见附图2)。碳化物镀层硬度为：3340HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为0.25。钼片基底硬度为：1100HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为
0.19。

[0026] 由本实施例金属钼电极表面Mo2C镀层电解析氢催化产氢(电解质：0.5M H2SO4，使用Ag/AgCl电极作为参比电极，石墨棒作为对电极，工作电极是含碳化钼镀层的钼片，扫描速率为2mV/s)，并以纯钼片为工作电极进行对比，由极化曲线可知，在10mA/cm2处含碳化钼镀层电极比纯钼片过电势低125mV，在12mA/cm2处含碳化钼镀层电极比纯钼片过电势低110mV，即更易极化发生析氢反应(见附图5)。

[0027] 实施例2

[0028] 一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法：将250g碳酸锂置于高温炉内，升温至300℃干燥48h后，再升温至950℃使熔盐熔化得到碳酸锂熔盐，以50mL/min的流速向熔盐中通入CO2，以金属镍为阳极，钨片为阴极，经脉冲电解12h，其中脉冲平均电流密度有效值为5A cm-2，脉冲宽度60ms，脉冲间隔180ms，电解结束后，取出阴极，待其冷至室温后，分别用稀盐酸浸洗两到三次，然后用去离子水与乙醇清洗三次去除表面粘附的电解质，获得表面为碳化钨镀层的金属钨片。

[0029] 电解过程通入36L二氧化碳，其中电解过程消耗20％CO2，得到7.2L O2。

[0030] 经XRD分析，经电解后，金属钨电极表面出现了WC的衍射峰(见附图3)，说明生成了WC，电镜分析表面WC镀层厚度约3微米(见附图4)。得到的碳化镍镀层厚度为3微米，碳化物镀层硬度为：2100HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为0.23。钨片基底硬度为：700HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为0.15。

[0031] 实施例3

[0032] 一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法：将碳酸锂与碳酸钾混合(共250g，质量比为1:1)，置于高温炉内，升温至300℃干燥48h后，再升温至700℃使熔盐熔化得到混合熔盐，以50mL/min的流速向熔盐中通入CO2，以Ni11Fe10Cu合金为阳极，铁片为阴极，在0.1A cm-2的电流密度下恒电流电解8h。电解结束后，取出阴极，待其冷至室温后，分别用稀盐酸浸洗两到三次，然后用去离子水与乙醇清洗三次，去除表面粘附的电解质，获得表面为碳化铁镀层的金属铁片。

[0033] 电解过程通入24L二氧化碳，其中电解过程消耗25％CO2，得到6L O2。

[0034] 本实施例得到的碳化铁镀层厚度为4微米，碳化物镀层硬度为：2340HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为0.24。铁片基底硬度为：750HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为
0.17。

[0035] 实施例4

[0036] 一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法：将碳酸锂、碳酸钠及碳酸钾(质量比2：1：1，共400g)置于有氩气保护气的高温炉内，升温至300℃干燥48h后，再升温至450℃使熔盐熔化得到混合熔盐，以铬片为阴极，Ni11Fe10Cu合金为阳极，以50mL/min的流速向熔盐中通入CO2，在3.2V恒槽压电解12h。电解结束后，取出阴极，待其冷至室温后，分别用稀盐酸浸洗两到三次，然后用去离子水与乙醇清洗三次去除表面粘附的电解质，获得表面为碳化铬镀层的金属铬片。

[0037] 电解过程通入36L二氧化碳，其中电解过程消耗20％CO2，得到7.2L O2。

[0038] 本实施例得到的碳化铬镀层厚度为5微米，碳化物镀层硬度为：2850HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为0.24。铬片基底硬度为：920HV(载荷为150g条件下)，摩擦系数为
0.18。

[0039] 以上实施例证只是对本发明技术方案的具体举例说明。本发明所涉及的一种将CO2转化为金属碳化物镀层及O2的熔盐电化学方法不仅仅局限于给出实施例证的实验方案和应用方向，而应以权利要求书中的范围为准。

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