[發(fā)明專利]一種富含孿晶界的銅納米電極及其制備和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113151855B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄺允;宋舒暢;孫曉明
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學(xué)
• 主分類號: C25B11/052
• 分類號: C25B11/052;C25B11/075;C25B3/26;C25B3/03;C25B3/07;B82Y40/00
• 代理公司: 北京市領(lǐng)專知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11590
• 代理人: 李靜;任永利

本發(fā)明屬于電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種富含孿晶界的銅納米電極及其制備和應(yīng)用。所述銅納米電極包括導(dǎo)電基底以及負(fù)載在其表面的銅納米催化劑顆粒，所述銅納米催化劑顆粒表面有大量的孿晶界的存在，構(gòu)成所述孿晶界的晶面為Cu(111)和Cu(200)。本發(fā)明首次以堿式銅鹽為前驅(qū)體，通過氫氧化鈉的加入得到氫氧化銅/堿式銅鹽混合物，后經(jīng)過恒電位極化預(yù)還原得到富含孿晶界的銅納米催化劑，構(gòu)成所述孿晶界的晶面為Cu(111)和Cu(200)，夾角為53度。所述銅納米電極可以提高二氧化碳還原產(chǎn)物多碳產(chǎn)物的選擇性，可以將氫氣的法拉第效率降低到17％及以下，將多碳產(chǎn)物的法拉第效率提高到68％以上，將乙烯的法拉第效率提高到62％以上。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種富含孿晶界的銅納米電極及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)

眾所周知，長久以來基于石油、煤、天然氣等化石燃料所產(chǎn)生的能力在推動我國經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定增長以及滿足人類的物質(zhì)生活需求方面占據(jù)著極為重要的地位。人類對于化石燃料的大量使用使二氧化碳排放量極具增加，這打破了自然的碳循環(huán)平衡，導(dǎo)致了嚴(yán)重的“溫室效應(yīng)”。這會隨之帶來全球溫度升高，冰川加速消融，海平面上升以及局部地區(qū)氣候異常等問題，從而給人類和動植物的生存帶來極大的挑戰(zhàn)。并且根據(jù)預(yù)測，地球上現(xiàn)有的化石燃料可供應(yīng)人類開發(fā)利用的時間大約只剩二百年。所以探索發(fā)現(xiàn)可再生的清潔能源來提低化石從而減少人類對于化石燃料的依賴是勢在必行的。為了解決以上兩個問題，最理想的方法是將CO₂氣體固定并轉(zhuǎn)化為烴類、醇類等高附加值的化學(xué)品以及清潔能源，從而實現(xiàn)人工碳循環(huán)。這種方法不僅在一定程度上解決了大氣中CO₂過量的難題，也為緩解能源危機提供了一個新的思路。對于CO₂的轉(zhuǎn)化技術(shù)，目前已經(jīng)有了一些進展。電化學(xué)轉(zhuǎn)化CO₂作為一種新型的技術(shù)，由于其所需反應(yīng)條件比較溫和，又可以與風(fēng)能、太陽能等清潔能源，故而它是一種非常具有前景的轉(zhuǎn)化方式。

電催化CO₂還原是一種在特定催化劑作用下，在常溫常壓下通過一定的外加電勢就可以發(fā)生的反應(yīng)。但是根據(jù)目前的研究，電催化CO₂還原也具有產(chǎn)物選擇性低，動力學(xué)進程緩慢以及副反應(yīng)析氫反應(yīng)嚴(yán)重等問題。電催化CO₂還原反應(yīng)過程復(fù)雜，所得產(chǎn)物分布廣泛，而銅類催化劑是目前研究發(fā)現(xiàn)唯一一種可以還原CO₂生成多碳產(chǎn)物的金屬催化劑。這是由于銅對反應(yīng)中間體具有合適的吸附能以及具有合適的原子間距所決定的。

但是目前銅催化劑仍然存在著產(chǎn)物選擇性低，穩(wěn)定性差等問題，為了解決以上問題，提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

降低副反應(yīng)析氫反應(yīng)，提高還原CO₂生成多碳產(chǎn)物的選擇性是本領(lǐng)域技術(shù)人員一直追求的目標(biāo)。本發(fā)明旨在通過對銅基催化劑進行不同維度的調(diào)控，從而設(shè)計出具有高選擇性高活性高穩(wěn)定性的CO₂電還原催化劑。本發(fā)明的創(chuàng)新點在于，本發(fā)明的富含孿晶界的銅納米電極通過使用氫氧化銅/堿式銅鹽混合物，在進行電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)的前幾分鐘意外得到，即還原反應(yīng)的電解液飽和了二氧化碳。

本發(fā)明第一方面提供一種富含孿晶界的銅納米電極，所述銅納米電極包括導(dǎo)電基底以及負(fù)載在其表面的銅納米催化劑顆粒，所述銅納米催化劑顆粒表面有大量的孿晶界的存在，構(gòu)成所述孿晶界的晶面為Cu(111)和Cu(200)。

優(yōu)選地，構(gòu)成所述孿晶界的兩個晶面的夾角為53°。

優(yōu)選地，所述銅納米電極的導(dǎo)電基底選自氣體擴散層碳紙、疏水碳紙、親水碳紙、碳布中的一種或者幾種。

優(yōu)選地，所述銅納米催化劑顆粒，是由氫氧化銅和堿式銅鹽的混合物通過施加還原電位進行電化學(xué)預(yù)還原而成，所述堿式銅鹽化合物包括堿式硫酸銅、堿式硝酸銅、堿式碳酸銅、堿式氯化銅、堿式醋酸銅中的一種或者多種。

優(yōu)選地，銅納米催化劑的形貌為納米顆粒連接的納米帶狀。