[發(fā)明專利]納米銅合金/氮摻雜類石墨烯復(fù)合催化劑及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810041342.6
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108330506A
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王燕剛;李溪;夏啟能;葛志剛
• 申請（專利權(quán)）人: 嘉興學(xué)院
• 主分類號: C25B3/04
• 分類號: C25B3/04;C25B11/06;C23C18/08
• 代理公司: 嘉興永航專利代理事務(wù)所(普通合伙) 33265
• 代理人: 蔡鼎;侯蘭玉

本發(fā)明涉及一種納米銅合金/氮摻雜類石墨烯復(fù)合催化劑及其制備方法，屬于電催化劑及其制備技術(shù)領(lǐng)域。一種納米銅合金/氮摻雜類石墨烯復(fù)合催化劑，所述的催化劑由納米銅合金顆粒和氮摻雜類石墨烯材料復(fù)合而成，其中納米銅合金顆粒均勻負(fù)載在片層的氮摻雜類石墨烯表面；所述的納米銅合金為Cu與Ni、Fe、Co、Mg、Zn金屬中的一種或兩種組成合金；所述的納米銅合金/氮摻雜類石墨烯復(fù)合催化劑中納米銅合金的質(zhì)量百分含量為9?26wt%。本發(fā)明首次使用具有優(yōu)異電化學(xué)性能的氮摻雜類石墨烯為載體，可有效發(fā)揮載體和納米銅合金催化劑間的協(xié)同催化性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨烯復(fù)合催化劑，特別涉及一種用于電催化還原CO₂制取液體燃料的納米銅合金/氮摻雜類石墨烯復(fù)合催化劑及其制備方法，屬于電催化劑及其制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

將大氣中的二氧化碳(CO₂)轉(zhuǎn)化成低碳燃料或小分子有機(jī)化合物，不僅對CO₂減排有利，也在一定程度上可用作儲(chǔ)存能源的攜帶者。CO₂是碳元素處于最高價(jià)態(tài)的化合物，它的化學(xué)狀態(tài)非常穩(wěn)定，因此使其發(fā)生還原反應(yīng)必然要借助于高溫、高(電)壓環(huán)境，或者借助于合適的催化劑。目前，人工對CO₂進(jìn)行轉(zhuǎn)化的方法主要包括高溫催化加氫法、電化學(xué)催化還原法、光催化轉(zhuǎn)化法和光電協(xié)同催化方法等。其中，利用電化學(xué)催化法使CO₂還原成有用的物質(zhì)是一條重要的途徑。與化學(xué)合成法相比，CO₂電化學(xué)催化還原具有裝置投資少，容易擴(kuò)建，操作簡單以及含碳副產(chǎn)物含量低等優(yōu)點(diǎn)。

CO₂電化學(xué)催化還原反應(yīng)是典型的動(dòng)力學(xué)慢過程，且其產(chǎn)物組分復(fù)雜，研究人員在著力于降低還原過電勢的同時(shí)，逐步形成了CO、氣態(tài)烴類以及甲醇等液體產(chǎn)物為目標(biāo)的研究方向。其中，甲醇、乙醇等液體燃料具有質(zhì)量比能量密度高、易儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在近年的研究中備受關(guān)注。眾所周知，金屬Cu是一種比較特殊的CO₂還原電催化劑，由于Cu電極具有適當(dāng)?shù)奈鰵溥^電位、弱的CO吸附能力且可催化CO發(fā)生進(jìn)一步還原生成多種烴、醇等有機(jī)燃料而被廣泛關(guān)注。Cu的特殊行為早在1985年初見報(bào)道，在常溫水溶液中，CO₂可電催化還原生成CH₄，C₂H₄，CH₃OH，EtOH，n-PrOH，羧酸、醛、酮等至少16種產(chǎn)物。然而直接采用金屬Cu電極來電催化還原CO₂還有一些缺陷，如還原產(chǎn)物分布過于復(fù)雜、過電位較高、反應(yīng)速率低以及電極易失活等。針對這些問題，研究人員通過多種途徑對金屬Cu基電極進(jìn)行了改性包括納米結(jié)構(gòu)調(diào)控以及設(shè)計(jì)制備Cu基合金材料等，一定程度上改善了Cu基電極電催化還原CO₂的電流效率和對液體燃料的選擇性。在銅基合金材料方面，Jia等(Jia F,Yu X,et al.,J.Power Sources 2014,252:85-89.)采用電化學(xué)的方法將納米結(jié)構(gòu)的Cu-Au合金(Cu_63.9Au_36.1)沉積在多孔銅電極上，以此作為陰極電催化還原CO₂可生成甲醇和乙醇等液體燃料，其中生成甲醇的法拉第效率最高可達(dá)到15.9％，該值明顯高于納米結(jié)構(gòu)的單質(zhì)Cu電極(5.1％)。雖然當(dāng)時(shí)他們對該催化劑的作用機(jī)理尚不明確，但為今后電催化還原CO₂選擇性制取液體醇類燃料的研究提供了新的材料選擇。此外Hirunsit等(Hirunsit P,Soodsawang W,et al.,J.Phys.Chem.C 2015,119:8238-8249.)運(yùn)用密度泛函理論(DFT)計(jì)算手段對多種銅基合金材料電催化還原CO₂生成醇的反應(yīng)熱力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，初步從理論計(jì)算的角度驗(yàn)證了銅基合金材料在降低CO₂還原反應(yīng)過電位和選擇性制取醇類液體燃料的可行性。雖然人們從實(shí)驗(yàn)和理論上初步驗(yàn)證了銅基合金材料可選擇性電催化還原CO₂生成液體燃料，然而其還原CO₂的電流效率和對液體燃料的選擇性還不夠理想，無法滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。因此，本發(fā)明提出一種全新的氮摻雜類石墨烯負(fù)載納米銅合金復(fù)合催化劑，作為電催化劑使用可有效提高電催化還原CO₂的電流效率和生成醇類液體燃料的選擇性。