一种铜基串联催化电极及其制备工艺与应用制造技术

本发明专利技术涉及电极材料，属于电化学领域。一种铜基串联催化电极，包括将CO2还原为CO产物的捕获

【技术实现步骤摘要】
一种铜基串联催化电极及其制备工艺与应用


[0001]本专利技术涉及电化学催化，尤其涉及一种铜基串联催化电极及其制备工艺与应用。

技术介绍

[0002]电化学CO2还原反应(CO2RR)，可通过将CO2转化为有价值的化学品和燃料来关闭人为碳循环并存储间歇性可再生能源，另外该技术在保持碳中性的同时，能够有效缓解过度排放二氧化碳造成的温室效应。对于实际应用而言，我们需要将CO2转化成除CO和甲酸盐以外的具有高还原态的碳基产品，例如具有较高能量密度的碳氢化合物和醇类含氧化合物等。然而，由于多个电子
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质子转移步骤，高还原电位和较差的选择性通常限制了其高还原态碳产品的产率。
[0003]在众多金属催化剂中，Cu是目前唯一能将CO2还原为C
2+
产物的金属，但Cu催化剂存在选择性较差等问题；且纯Cu催化剂表面缓慢的C
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C耦合动力学阻碍了工业水平多碳产物的生产技术的应用。
[0004]因此，亟待发展有效的方法和策略实现将CO2还原为C
2+
产物的高效、绿色催化电极及催化工艺。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种铜基串联催化电极及其制备工艺与应用，在较高催化效率及催化选择性的前提下，实现将CO2还原为C
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产物的高效、绿色转化。
[0006]技术方案
[0007]一种铜基串联催化电极，包括将CO2还原为CO产物的捕获
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还原
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聚集作用的第一催化层，还包括将第一催化层产生的CO还原为C
2+
产物的第二催化层，所述第一催化层与第二催化层串联催化，共同将CO2还原为C
2+
产物。
[0008]进一步，所述第一催化层为在氢氧化铜纳米线阵列上生长的铜基金属有机框架(Cu
‑
MOF)结构，所述第二催化层为抛光铜基板和生长在基板上的氢氧化铜纳米线阵列。
[0009]进一步，所述Cu
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MOF结构为对苯二甲酸溶液浸润过的纳米氢氧化铜纳米线阵列。
[0010]一种铜基串联催化电极制备工艺，步骤包括，
[0011]步骤I.在预处理的铜基板表面生长氢氧化铜纳米线阵列；
[0012]步骤II.在氢氧化铜纳米线上生长Cu
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MOF，构筑铜基串联催化剂。
[0013]进一步，步骤I包括，配置氢氧化钠和过硫酸铵混合溶液，将抛光后的铜箔至于上述溶液中生长氢氧化铜纳米线阵列。
[0014]进一步，所述氢氧化钠和过硫酸铵的浓度分别为2.67～3.67mol/L和0.13～0.23mol/L，生长时间为5～20min。
[0015]进一步，步骤II包括，将步骤I制备的含有氢氧化铜纳米线阵列的基板置于对苯二甲酸溶液中，在25～100℃中反应20min～8h。
[0016]进一步，所述对苯二甲酸溶液浓度为1～10mmol/L，溶剂为DMF。
[0017]进一步，所述预处理步骤包括，将铜箔置于硫酸溶液中进行浸泡处理，然后用去离子水、乙醇冲洗干净并进行干燥处理。
[0018]一种铜基串联催化电极的应用，其特征在于，铜基串联催化电极电催化将CO2还原为C
2+
产物。
[0019]进一步，所述C
2+
产物包括乙醇、乙酸、丙醇、乙烯、乙烷。
[0020]有益效果
[0021]采用本专利技术所提供一种铜基串联催化电极在二氧化碳催化还原领域具有以下有益效果：
[0022]1.本技术方案中，设计铜基串联催化剂，通过多个组分之间的协同催化，将复杂反应路径中的各个步骤解耦，能够有效调控碳基产物的选择性，并且可以提高CO2RR的反应速率。
[0023]2.本技术方案的串联催化剂提供了使中间体在不同的活性位点上的吸附能解耦的可能性。在热力学方面，本技术方案的串联催化促进了化学平衡的转变，因为后面的反应将消耗前一个反应的生成物作为反应物，即通过改变热力学动态平衡点来提高产率。因此，本技术方案的串联催化通过偶联多步反应来提高整个反应的效率。
[0024]3.铜基金属有机框架(Cu
‑
MOF)材料因其大孔隙率，高比表面积和规则可调的孔径结构等优势可以有效吸附CO2等分子，并将其转化为CO关键中间体，提高其局域浓度，提升催化剂在CO2RR中的催化活性。
[0025]4.本技术方案的串联催化剂相对于以往催化中采用的Au、Ag等贵金属，Cu
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MOF成本较低，有利于大规模工业化应用。
[0026]5.本技术方案的串联催化电极具有较高的电催化选择性，能够高效地还原体系中CO2分子，所制备产物中氢含量占比较低，电催化CO2还原的效率显著提升。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例的铜基串联催化剂的制备流程图；
[0028]图2为本专利技术铜基串联催化剂的扫描电子显微镜图；
[0029]图3为本专利技术铜基串联催化剂对二氧化碳电还原性能的法拉第效率图。
具体实施方式
[0030]下面结合具体实施例和附图1～3，进一步阐述本专利技术。
[0031]实施例1
[0032]一种铜基串联催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0033](1)电化学抛光铜箔：将50μm厚的商业铜箔进行抛光，在本实施例中，抛光液为0.5mol/L硫酸溶液，抛光时间为30min。将抛光后的铜箔用去离子水、乙醇冲洗，去除表面的溶液，并在常温下静置干燥。
[0034](2)生长氢氧化铜纳米线阵列：将所述抛光后的铜箔置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，其中氢氧化钠和过硫酸铵的浓度分别2.67mol/L和0.13mol/L，放置5min，然后用去离子水冲洗干净，置于空气中干燥。
[0035](3)Cu
‑
MOF的生长：将上述生长了氢氧化铜纳米线阵列的铜箔置于5mmol/L对苯二
甲酸溶液中，反应温度为100℃，反应时间为8h。
[0036]实施例2
[0037]一种铜基串联催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0038](1)电化学抛光铜箔：将50μm厚的商业铜箔进行抛光，在本实施例中，抛光液为0.5mol/L硫酸溶液，抛光时间为40min。将抛光后的铜箔用去离子水、乙醇冲洗，去除表面的溶液，并在常温下静置干燥。
[0039](2)生长氢氧化铜纳米线阵列：将所述抛光后的铜箔置于氢氧化钠和过硫酸铵的混合溶液中，其中氢氧化钠和过硫酸铵的浓度分别2.97mol/L和0.15mol/L，放置8min，然后用去离子水冲洗干净，置于空气中干燥。
[0040](3)Cu
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MOF的生长：将上述生长了氢氧化铜纳米线阵列的铜箔置于7mmol/L对苯二甲酸溶液中，反应温度为80℃，反应时间为6h。
[0041]实施例3
[0042本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铜基串联催化电极，其特征在于，包括将CO2还原为CO产物的捕获
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还原
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聚集作用的第一催化层，还包括将第一催化层产生的CO还原为C
2+
产物的第二催化层，所述第一催化层与第二催化层串联催化，共同将CO2还原为C
2+
产物。2.如权利要求1所述的铜基串联催化电极，其特征在于，所述第一催化层为在氢氧化铜纳米线阵列上生长的铜基金属有机框架即Cu
‑
MOF结构，所述第二催化层为抛光铜基板和生长在基板上的氢氧化铜纳米线阵列。3.如权利要求2所述的铜基串联催化电极，其特征在于，所述Cu
‑
MOF结构为对苯二甲酸溶液浸润过的纳米氢氧化铜纳米线阵列。4.如权利要求1～3任一项所述的铜基串联催化电极的制备工艺，其特征在于，步骤包括，步骤I.在预处理的铜基板表面生长氢氧化铜纳米线阵列；步骤II.在氢氧化铜纳米线上生长Cu
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MOF，构筑铜基串联催化剂。...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志成，李俊俊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：