一种二氧化碳电催化还原薄膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种二氧化碳电催化还原薄膜及其制备方法与应用，其中，方法包括步骤：将铜丝和锡颗粒置于热蒸发腔室的不同位置作为不同的蒸发源；将贴有衬底的热蒸发托盘固定在所述蒸发源上方的转台上，并对所述热蒸发腔室抽真空；当所述热蒸发室抽真空至小于5×10

A Carbon Dioxide Electrocatalytic Reduction Film and Its Preparation Method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化碳电催化还原薄膜及其制备方法与应用
本专利技术涉及化学材料领域，尤其涉及一种二氧化碳电催化还原薄膜及其制备方法与应用。
技术介绍
随着人类对化石燃料的依赖性日益增强，且大量伐木开地导致绿化面积逐年减小，按目前的发展趋势约在21世纪末的时候，CO2浓度将高达1000ppm，彼时地球温度将炎热到人类难以生存。然而，作为一种潜在的碳源，CO2的有效利用率却非常低。因此，找寻高效利用CO2的方法，将其转化为可利用的碳产物已成为全社会的研究热点。通过转变CO2，可降低大气圈CO2的浓度，改善温室效应，实现良性的碳循环。目前，CO2还原方法主要有电化学催化、光电催化还原和生物转化三种。其中，电化学催化由于其装置简单、操作方便、反应条件温和、易于实现工业化等优点得到了广泛的研究。CO2电催化还原材料主要分五种：金属材料、部分氧化物金属材料、金属硫化物材料、有机框架材料和掺杂碳材料。其中，金属材料作为一种传统材料，对其研究相对较多。而非贵金属材料中，Sn、Cu由于具有丰度高、无毒性、价格便宜等优点，具有很高的研究价值和探索空间。但是，在还原过程中纯铜极易产生析氢反应，且产物选择性差，高负电压下会产生多种碳产物。而Sn虽然对甲酸选择性好，但其电导率低，还原过程中单位面积电流密度小。因此，现有技术还有待于改进。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种二氧化碳电催化还原薄膜及其制备方法与应用，旨在解决由于现有技术制备的二氧化碳电催化材料电催化效率低、产物选择性差，以及制备过程繁琐且无法根据产物需求制备相应二氧化碳电催化薄膜的问题。本专利技术的技术方案如下：一种二氧化碳电催化还原薄膜，其特征在于，其材料为纳米级CuxSn100-x均匀固溶体合金，且Cu和Sn的比例连续可调，其中0<x<100。所述的二氧化碳电催化还原薄膜，其中，其材料为纳米级Cu10Sn90合金。所述的二氧化碳电催化还原薄膜，其中，其材料为纳米级Cu95Sn5合金。一种二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法，其中，包括步骤：将铜丝和锡颗粒置于热蒸发腔室的不同位置作为不同的蒸发源；将贴有衬底的热蒸发托盘固定在所述蒸发源上方的转台上，并对所述热蒸发腔室抽真空；当所述热蒸发室抽真空至小于5×10-7Pa时，启动热蒸发程序，通过控制Cu和Sn的热蒸发速率，制得所述二氧化碳电催化还原薄膜，其材料为纳米级CuxSn100-x均匀固溶体合金，且Cu和Sn的比例连续可调，其中0<x<100。所述二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法，其中，控制所述Cu的热蒸发速率为0-1Å/s，所述Sn的热蒸发速率为1-0Å/s，所述Cu的热蒸发速率与Sn的热蒸发速率之和为1Å/s。所述二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法，其中，控制热蒸发时间，使所述二氧化碳电催化还原薄膜的厚度为10-100nm。所述二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法，其中，启动热蒸发程序后调整P、I、D三个参数，使Cu和Sn的热蒸发速率保持稳定。一种二氧化碳电催化还原薄膜的应用，其中，将本专利技术所述的二氧化碳电催化还原薄膜用作二氧化碳电化学催化装置的工作电极。有益效果：与现有技术相比，本专利技术提供的二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法具有以下优势：1、本专利技术所采用的制备方法为真空热蒸发镀膜法，所述热蒸发镀膜法可以通过改变蒸发源功率精确控制Sn、Cu两种金属的蒸发速率，获得比例不同的Sn-Cu纳米颗粒状合金薄膜。通过控制金属比例，可以实现对产物选择性的调控，即在含锡量高时主产物为甲酸，而在铜含量高时主产物为CO。此外，本专利技术制备的薄膜催化剂可以增大与二氧化碳的接触比表面积，增大催化还原反应电流密度；2、本专利技术使用真空热蒸发镀膜法合成固溶体合金薄膜催化材料，其制备工艺相比于电沉积或者水热法操作简单、周期短，且能适用于各种基底，本专利技术制得的二氧化碳电催化还原薄膜能够有效提高CO2还原过程中对甲酸或者CO的选择性和产率，在CO2电催化还原领域具有良好的研究价值。附图说明图1为本专利技术一种二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法较佳实施例的流程图。图2为本专利技术所使用的真空镀膜发的结构示意图，其中1.样品盘2.膜厚监控仪探头3.真空腔4.挡板5.蒸发源6.挡板。图3为Cu95Sn5催化剂薄膜的SEM图。图4为Cu10Sn90催化剂薄膜的SEM图。图5为实施例2-实施例12制备的二氧化碳电催化薄膜在-1.1V（VSRHE）电压下的电流密度。图6为实施例2-实施例12制备的二氧化碳电催化薄膜在-1.1V（VSRHE）电压下产甲酸的法拉第效率。图7为实施例2-实施例12制备的二氧化碳电催化薄膜在-1.1V（VSRHE）电压下产CO的法拉第效率。图8为在铜含量高的区域微量调控Sn的含量后，在-0.9V（VSRHE）电压下产CO的法拉第效率。具体实施方式本专利技术提供一种二氧化碳电催化还原薄膜及其制备方法与应用，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。请参阅图1，图1为本专利技术一种二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法较佳实施例流程图，其中，包括步骤：S10、将铜丝和锡颗粒置于热蒸发腔室的不同位置作为不同的蒸发源；S20、将贴有衬底的热蒸发托盘固定在所述蒸发源上方的转台上，并对所述热蒸发腔室抽真空；S30、当所述热蒸发室抽真空至小于5×10-7Pa时，启动热蒸发程序，通过控制Cu和Sn的热蒸发速率，制得所述二氧化碳电催化还原薄膜，其材料为纳米级CuxSn100-x均匀固溶体合金，且Cu和Sn的比例连续可调，其中0<x<100。本实施例通过制备纳米级Cu-Sn合金薄膜催化剂来解决Sn、Cu单独作为催化剂时所存在的产物选择性差、电导率较低的问题。现有技术大多采用水热法或者电沉积法来制备合金薄膜催化材料，然而这些化学方法难以精确控制两种金属的比例，且其反应周期长，不易监控其生长过程，并且调控参数以得到性能优异的催化剂的过程很复杂。此外，用化学方法制得的催化剂大多为双金属材料或者金属间化合物材料，且其成分可能会产生偏析，难以保证均匀性。基于现有制备方法所存在的问题，本实施例所采用的制备方法为真空热蒸发镀膜法，所述热蒸发镀膜法可以通过改变蒸发源功率精确控制Sn、Cu两种金属的蒸发速率，获得比例不同的Sn-Cu纳米颗粒状合金薄膜。通过控制金属比例，可以实现对产物选择性的调控，即在含锡量高时主产物为甲酸，而在铜含量高时主产物为CO。此外，本专利技术制备的薄膜催化剂可以增大与二氧化碳的接触比表面积，增大催化还原反应电流密度；2、本专利技术使用真空热蒸发镀膜法合成固溶体合金薄膜催化材料，其制备工艺相比于电沉积或者水热法操作简单、周期短，且能适用于各种基底，本专利技术制得的二氧化碳电催化还原薄膜能够有效提高CO2还原过程中对甲酸或者CO的选择性和产率，在CO2电催化还原领域具有良好的研究价值。在一些实施方式中，所述步骤S10具体包括：将铜丝剪成1cm左右的小段，用丙酮、乙醇、去离子水分别超声10min后烘干，置于钨舟内，固定在热蒸发腔室中作为蒸发源，如图2所示；同样用丙酮、乙醇、去离子水分别对锡颗粒进行超声处理10min后烘干置于钨舟内，固定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化碳电催化还原薄膜，其特征在于，其材料为纳米级CuxSn100‑x均匀固溶体合金，且Cu和Sn的比例连续可调，其中0<x<100。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳电催化还原薄膜，其特征在于，其材料为纳米级CuxSn100-x均匀固溶体合金，且Cu和Sn的比例连续可调，其中0<x<100。2.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化还原薄膜，其特征在于，其材料为纳米级Cu10Sn90合金。3.根据权利要求1所述的二氧化碳电催化还原薄膜，其特征在于，其材料为纳米级Cu95Sn5合金。4.一种二氧化碳电催化还原薄膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：将铜丝和锡颗粒置于热蒸发腔室的不同位置作为不同的蒸发源；将贴有衬底的热蒸发托盘固定在所述蒸发源上方的转台上，并对所述热蒸发腔室抽真空；当所述热蒸发室抽真空至小于5×10-7Pa时，启动热蒸发程序，通过控制Cu和Sn的热蒸发速率，制得所述二氧化碳电催化还原薄膜，其材料为纳米级CuxSn100...

【专利技术属性】
技术研发人员：林鹏，吴天承，徐喆，曹雨，曾燮榕，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44