[發明專利]一種具有疏水性的碳包覆銅微球及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202011079128.3
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112301368B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 楊化桂;張馨予;劉鵬飛;袁海洋;毛芳欣;楊曉華
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C25B3/03
• 分類號: C25B3/03;C25B3/26;C25B11/091;C25B11/065;C25B11/052
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司 31203
• 代理人: 顧蘭芳

本發明公開一種具有疏水性的碳包覆銅微球及其制備方法與應用，所述多層核殼結構復合微球Cu_xO@C顆粒尺寸在1微米左右，內部為具有核殼結構的金屬銅/氧化亞銅復合物，外層包覆厚度為50納米左右的碳層，其組裝的電極與水的接觸角為148.2°。本發明采用殼聚糖作為還原劑和碳源、聚乙烯吡咯烷酮作為形貌控制劑，通過水熱法制備具有疏水性的多層核殼結構的復合微球Cu_xO@C。本發明的疏水性多層核殼結構復合微球可以用于電催化還原二氧化碳CO₂生成甲烷CH₄。

技術領域

本發明涉及一種具有疏水性的碳包覆銅微球，該復合微球采用水熱法制備而成，該復合微球作為催化劑在電催化還原CO₂制備CH₄方面具有優異性能，在其他能源開發和環境保護領域也具備潛在的應用價值。

背景技術

在過去幾十年中，化石燃料部分被清潔和可再生能源，如風能、潮汐能、太陽能等所代替，以減少CO₂排放量。盡管可再生能源的增長速度越來越快，但這些可再生能源在當今能源消費總量中所占的百分比仍然很低(5％)。此外，這些可再生資源大多是地理性、海洋性和間歇性的。因此，充分利用可再生能源往往涉及能源轉換和儲存技術。具體來說，能量轉換和儲存裝置，如超級電容器和可充電電池(如鋰離子電池)，可增加電力輸出水平。然而，考慮到這些儲能裝置的低能量密度和高成本，它們很難大規模地集成到電網中。除了發展可再生能源和相關技術外，碳捕獲和封存二氧化碳(CCS)也被用來防止CO₂被大量釋放到空氣中。但是，碳捕獲與封存技術是一項能耗高、費用高的技術。此外，CCS面臨的一個主要問題是儲存的CO₂有泄漏的風險，這阻礙了大規模CCS部署的商業化。因此，CO₂的固定仍然是全世界人類面臨的一個巨大挑戰。

現在有一種很有前景的解決方案是利用可再生能源將大氣中的CO₂還原為具有高能量密度的燃料或者化工原料，例如一氧化碳(CO)、CH₄、甲酸(HCO₂H)、甲醛(CH₂O)和甲醇(CH₃OH)等。這個方案不僅可以減少大氣中CO₂的積累，直接起到緩解環境壓力的作用，而且還可以生產燃料和有用的工業化學品，從而減輕現代工業和人類生活對傳統化石資源的依賴，以此也可以減少傳統化石燃料燃燒造成的有害氣體排放造成的環境問題，這一點可以與CO₂還原給自然環境帶來的直接意義起到正反饋的作用。

發明內容

本發明旨在提供一種具有疏水性的碳包覆銅微球、及其水熱制備法及其應用。該催化劑制備方法簡單，成本低，具有優異的電催化還原CO₂產CH₄的選擇性和較高的電流密度。合成過程中不需要復雜的儀器、操作簡單，有利于大規模的工業應用。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種具有疏水性的碳包覆銅微球，該復合微球顆粒尺寸在1微米左右，內部為具有核殼結構的金屬銅/氧化亞銅復合物，外層包覆厚度為50納米左右的碳層，其組裝的電極與水的接觸角為148.2°，具有接近超疏水性能。

本發明還提出一種具有疏水性的碳包覆銅微球的制備方法，是水熱法，包括如下步驟：

(1)將0.2～0.6g三水合硝酸銅和0.3～0.9g聚乙烯吡咯烷酮分別溶解于5～30mL和10～60mL乙二醇中；隨后在劇烈攪拌的條件下將硝酸銅溶液緩慢滴入聚乙烯吡咯烷酮溶液中，最后加入0.2～0.6g殼聚糖；將溶液轉移到聚四氟乙烯內襯的鋼套內，在烘箱中150～210℃條件下水熱1～4個小時；