[發(fā)明專利]一種銅催化劑及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111593603.3
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN116334671A
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 謝順吉;張彪;馬文超;何瀟洋;張慶紅;王野
• 申請（專利權(quán)）人: 嘉庚創(chuàng)新實驗室
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25C1/12;C25B3/03;C25B3/07
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 張素斌

一種銅催化劑及其制備方法和應(yīng)用，該銅催化劑為晶格具有拉伸應(yīng)變的紡錘形狀的銅催化劑Cu?s。該制備方法包括以下步驟：(1)將銅鹽溶解在N,N?二甲基甲酰胺的水溶液中，然后進行高溫熱處理，后進行快速降溫冷卻；(2)將步驟(1)得到的樣品進行洗滌，冷凍干燥，得到Cu?s的前驅(qū)體氧化銅和氧化亞銅的混合物CuOsubgt;x/subgt;；(3)將CuOsubgt;x/subgt;進行還原，即得到晶格具有拉伸應(yīng)變的紡錘形狀的銅催化劑Cu?s。該銅催化劑應(yīng)用于電催化CO和/或COsubgt;2/subgt;還原制多碳化合物。本發(fā)明的銅催化劑催化具有較高的活性和選擇性，工作穩(wěn)定且能量轉(zhuǎn)化效率高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化領(lǐng)域，尤其涉及一種銅催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

電催化還原二氧化碳(CO₂)制備多碳化合物已經(jīng)得到廣泛的研究，目前還缺乏高活性、選擇性和穩(wěn)定性的催化劑，且堿性電解液體系中還存在積鹽、水淹等問題沒有能夠得到很好的解決。堿性體系中的反應(yīng)氣體CO₂和電解液中OH^-離子會反應(yīng)生成碳酸鹽，一方面會降低反應(yīng)物CO₂的有效利用率，造成CO₂損失，另一方面積鹽會堵塞氣體擴散層的氣體通路，且堿性的長時間浸泡還易降低氣體擴散層的疏水性，導(dǎo)致水淹，從而造成整個電催化CO₂還原反應(yīng)體系失活。陰極側(cè)積鹽、水淹造成電催CO₂還原體系失活的現(xiàn)象在H型和流動型的電解池中尤為常見，因此，無陰極電解液的全電解池膜電極電解池更具有產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢和潛力。

電催化CO還原反應(yīng)和電催化CO₂還原反應(yīng)具有相似的多碳產(chǎn)物分布，CO被普遍認為是CO₂還原反應(yīng)的重要中間體。電催化一氧化碳(CO)還原制乙烯/乙醇等多碳化合物的反應(yīng)過程，可以從根本上避免CO₂和電解液反應(yīng)引起的積鹽問題，顯得非常重要。目前，電催化CO₂還原制CO氣體已經(jīng)獲得了較好的性能，電流密度和產(chǎn)物選擇性均較高。此外，CO本身也是一種非常豐富且廉價的碳原料，可以從天然氣/頁巖氣、煤、生物質(zhì)等資源大量獲得。因此，先將CO₂電催化還原成CO，然后CO再進一步電催化還原成多碳化合物，是一條可行的技術(shù)路線。

目前電催化還原CO制多碳產(chǎn)物反應(yīng)的主要挑戰(zhàn)是開發(fā)高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的陰極催化劑以及工作狀態(tài)良好的全電解池膜電極體系。就全電解池體系而言，離子交換膜厚度、體系反應(yīng)溫度以及陽極電解液濃度的優(yōu)化對催化性能表現(xiàn)至關(guān)重要。就陰極催化劑來講，銅是最有效的電催化CO還原制多碳產(chǎn)物的催化材料。盡管諸如分子修飾、缺陷工程、形貌調(diào)控以及反應(yīng)體系調(diào)變的策略已經(jīng)被廣泛研究，但是目前主要集中于陰極半電解池方面性能的改進，且此類催化劑組成的全電池達到工業(yè)級電流密度需要很高的池壓才能獲得良好的多碳化合物選擇性。為滿足工業(yè)應(yīng)用要求，相關(guān)全電解池體系下的CO電還原不僅需要滿足對多碳化合物的高選擇性，而且也需要高的能量轉(zhuǎn)化效率和良好的工作穩(wěn)定性。工業(yè)上期望全電池所需池壓值不高于2.5V，但是根據(jù)目前所報道的結(jié)果來看，在低于該數(shù)值下的全電解池體系中，其實際工作電流通常低于工業(yè)級電流密度200mA·cm^-2。更高的電流密度往往需要輸入更高的池壓，同時會造成能量效率的損失以及法拉第效率的降低。

因此，開發(fā)一種電催化CO還原制多碳化合物的高效催化劑，在全電解池體系下，可以顯著降低池壓值，且保持對目標產(chǎn)物的高選擇性、活性和穩(wěn)定性，顯得十分重要。目前報道的全電池中電催化CO還原制多碳產(chǎn)物的反應(yīng)在較低池壓時的生成速率非常低，而較高池壓條件下又會造成目標產(chǎn)物選擇性的降低，且能量轉(zhuǎn)化效率普遍較低。造成以上問題的主要因素是缺少一種高效的陰極催化劑。此外，用以工作的全電解池體系還包括陽極催化劑、電解液、膜厚度等因素，仍然未實現(xiàn)全局優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，提供一種銅催化劑及其制備方法和應(yīng)用，該銅催化劑活性高，選擇性高，工作穩(wěn)定且能量轉(zhuǎn)化效率高。