[發明專利]選擇性暴露（100）晶面的金屬Cu薄膜電極及其制備方法

在審

• 申請號: 202110981190.X
• 申請日: 2021-08-25
• 公開（公告）號: CN113862720A
• 公開（公告）日: 2021-12-31
• 發明（設計）人: 鞏金龍;張恭;王拓;李慧敏;高暉;王慶臻;張鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B11/052;C25B11/032;C25B3/26;C25B3/21;C25B3/03;C25B3/07;C23C14/00;C23C14/34;C23C14/50;C23C14/08
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 琪琛

本發明屬于光/電催化CO₂還原電極技術領域，公開了一種選擇性暴露(100)晶面的金屬Cu薄膜電極及其制備方法，在襯底上通過反應濺射沉積制備前驅體，然后通過電還原方法還原前驅體，所得襯底上生長的金屬Cu薄膜，具有較高的(100)晶面的選擇性暴露比例和較大的電化學活性面積。本發明能夠提升電極的催化活性，電極表面不存在封端劑等有機物的殘留，提高了該電極在電催化CO₂還原應用中的C2+產物選擇性。同時，由于其制備方法是在導電襯底上直接沉積催化劑薄膜，實現了電極的一步法制備，無需傳統電極制備工藝中的“二次負載”過程，提高了與現有電化學反應體系的兼容性。

技術領域

本發明屬于光/電催化CO₂還原電極技術領域，具體來說，是涉及一種金屬Cu基電極及其制備方法。

技術背景

為了降低大氣中CO₂的濃度，通過電化學或者光電化學的方法還原CO₂是一種可行且備受關注的方法，因為可再生能源的發電成本正在迅速降低(1)。

Cu作為一種廉價易得的過渡金屬，在催化CO₂還原過程中表現出了優異的化學性質，即：金屬Cu可以在電場作用下選擇性地催化CO₂還原為C₂H₄，C₂H₅OH等其他多碳(C2+) 產物。為了提高還原產物中C2+產物的選擇性(法拉第效率)，研究人員們采用了多種方法，其中調節催化劑的晶面是一種最為直接、有效的方法，因為CO₂還原到多碳產物的過程對催化劑的暴露晶面非常敏感(2)。根據理論計算，Cu(100)面可顯著降低該過程的反應勢壘(3)。因此，為了提升CO₂還原到C2+產物的活性和選擇性，提高金屬Cu基催化劑的(100)晶面暴露比例顯得尤為重要。

為了控制催化劑的暴露晶面，膠體化學是一種及其常用的合成手段(4,5)。該方法通過使用封端劑來控制催化劑的不同晶面的表面能，從而改變不同晶面的生長速率，進而控制催化劑的優先暴露晶面(6)。但是，該方法需要封端劑能夠選擇性地吸附在特定的晶面上，以此降低該晶面的表面能，由于過渡金屬的晶面通常具有相似的表面能，因此該方法的調控能力有限。此外，封端劑可能會殘留在催化劑表面，覆蓋催化活性位點，帶來額外的影響因素，不利于反應機理的探究(6)。并且，膠體化學合成得到的催化劑需要先分散為漿料，然后再經“二次負載”至導電載體上，以形成可供電化學反應使用的電極，由于負載過程中會出現催化劑的團聚和脫落等問題，因此該方法與現有的電催化反應體系的兼容性較差。綜上所述，非常需要開發一種無需使用封端劑的簡便的方法，來一步制備具有高(100)晶面暴露比例的金屬Cu電極。

1.J.Yan,Y.Yang,P.Elia Campana,J.He,City-level analysis of subsidy-free solar photovoltaic electricity price,profits and grid parity inChina.Nature Energy 4,709-717 (2019).

2.W.J.Durand,A.A.Peterson,F.Studt,F.Abild-Pedersen,J.K.Norskov,Structure effects on the energetics of the electrochemical reduction of CO₂by copper surfaces.Surface Science 605,1354-1359(2011).

3.K.Jiang et al.,Metal ion cycling of Cu foil for selective C-Ccoupling in electrochemical CO₂ reduction.Nature Catalysis 1,111-119(2018).