一种含三组分铜基单原子合金催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开的一种含三组分铜基单原子合金催化剂及其制备方法和应用，属于金属催化剂技术领域，通过在铜纳米颗粒表面引入均匀分布的合金化的钯单原子和锑单原子得到，铜、钯与锑原子的摩尔比范围满足(85+x+y)：x：(15

【技术实现步骤摘要】
一种含三组分铜基单原子合金催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于金属催化剂
，具体涉及一种含三组分铜基单原子合金催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]二氧化碳电还原反应能够将二氧化碳转化为甲酸、一氧化碳、乙烯、乙醇等高值化学品，不仅为实现“碳达峰、碳中和”目标提供了有效手段，还能作为一种储能方式帮助解决可再生能源发电并网难的问题。研究表明，在二氧化碳还原反应的众多产物中，只有一氧化碳和甲酸在近年来有望在工业化过程中实现正收益。因此，开发高效的二氧化碳电还原制一氧化碳的催化剂成为了领域的研究热点。
[0003]在用于二氧化碳还原的诸多传统催化剂中，金、银、钯等贵金属展现出对一氧化碳的高选择性；铅、铋、锡等金属展现出对甲酸的高选择性；铜基催化剂则对于二氧化碳转化产物的选择性较差，很难得到单一产物。当前已有研究表明，在铜基底上引入单一的单原子组分，通过形成单原子合金，可以对铜基底的电子结构进行调制，进而调控合金催化剂对反应物和中间体的吸附能，提升一氧化碳的法拉第效率和催化活性。但是，目前能够高效实现电催化二氧化碳制备一氧化碳的催化剂主要是贵金属为主体，铜基等非贵金属为主体的合金催化剂，仅通过引入一种单原子组分，进而调控铜基底电子结构，往往难以同时实现与贵金属相媲美的高选择性、活性和稳定性。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术中存在的非贵金属铜为主体的合金催化剂性能不足的问题，本专利技术提供了一种含三组分铜基单原子合金催化剂及其制备方法和应用，打破传统认为非贵金属铜为主体的合金催化剂难以与贵金属相媲美的传统认知，实现铜基催化剂二氧化碳到一氧化碳的高选择性电催化还原，而且制备方法条件温和，程序简单，更加适于规模化的后续生产和应用。
[0005]本专利技术所采用的技术方案如下：
[0006]一种含三组分铜基单原子合金催化剂，通过在铜纳米颗粒表面引入均匀分布的合金化的钯单原子和锑单原子得到，铜原子、钯原子与锑原子的摩尔比范围满足(85+x+y)：x：(15
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x
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y)，0<x+y≤15且0<x<15。
[0007]进一步地，所述含三组分铜基单原子合金催化剂的颗粒尺寸在10～30纳米。
[0008]进一步地，所述钯单原子和锑单原子之间独立存在，无相互作用。
[0009]一种含三组分铜基单原子合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1：配置硼氢化钠浓度为2～4摩尔每升的醇水混合液，以及在无水乙醇中溶解有铜前驱体盐、钯前驱体盐和锑前驱体盐的乙醇溶液；其中，乙醇溶液中铜离子、钯离子与锑离子的摩尔比范围满足(85+x+y)：x：(15
‑
x
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y)，0<x+y≤15且0<x<15，铜离子浓度为0.4～0.5摩尔每升；
[0011]步骤2：在氮气或惰性气体氛围下，向醇水混合液快速加入其0.5倍体积的乙醇溶液，在0～4摄氏度冰水浴中搅拌反应1小时，得到反应溶液；
[0012]步骤3：所得反应溶液经去离子水冲洗，无水乙醇冲洗，过滤干燥后，得到含三组分铜基单原子合金催化剂。
[0013]进一步地，所述醇水混合液中无水乙醇和去离子水的体积比为7:3～8:2。
[0014]进一步地，所述铜前驱体盐为无水氯化铜或无水硝酸铜，钯前驱体盐为硝酸钯或氯化钯，锑前驱体盐为氯化锑或乙醇锑。
[0015]进一步地，所述去离子水冲洗和无水乙醇冲洗均分别冲洗2～3次。
[0016]本专利技术还提供了一种上述技术方案任一所述含三组分铜基单原子合金催化剂或上述技术方案任一所述制备方法得到的含三组分铜基单原子合金催化剂在二氧化碳电还原反应中的应用。
[0017]进一步地，以喷涂有含三组分铜基单原子合金催化剂的疏水碳纸为阴极工作电极，参与二氧化碳电还原反应。
[0018]进一步地，所述二氧化碳电还原反应在流动池中进行。
[0019]进一步地，所述二氧化碳电还原反应阴极使用电解质为碳酸氢钾、氯化钾或其他中性电解质溶液。
[0020]进一步地，所述二氧化碳电还原反应阳极使用电解质为氢氧化钾、氢氧化钠或其他碱性电解质溶液。
[0021]进一步地，所述二氧化碳电还原反应以恒电流模式进行，电流区间为
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100到
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1000毫安每平方厘米。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]1、本专利技术提出了一种含三组分铜基单原子合金催化剂，并将其应用于二氧化碳电还原反应中，通过在铜基底上引入相独立的合金化的钯单原子和锑单原子，以调节铜基底的电子结构，实现二氧化碳到一氧化碳的高效电催化还原，在流动池中展现出对一氧化碳接近100％的法拉第效率，可以与贵金属催化剂二氧化碳电还原到一氧化碳的性能媲美；
[0024]2、本专利技术通过硼氢化钠一步合成法制备含三组分铜基单原子合金催化剂，制备方法程序简单；
[0025]3、本专利技术制备的含三组分铜基单原子合金催化剂具有极好的稳定性，在
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100毫安每平方厘米的电流密度下，可以实现528小时不衰减且法拉第效率高于95％的稳定性；本专利技术突破了铜基合金催化剂二氧化碳电还原产一氧化碳的传统认知，打破了非贵金属合金催化剂难以高效电还原产一氧化碳的现状，相比于传统产一氧化碳的金、银、钯等贵金属催化剂更加廉价且性能优异。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为实施例1所得含三组分铜基单原子合金催化剂的高分辨透射电子显微镜照
片；
[0028]图2为实施例1所得含三组分铜基单原子合金催化剂的X射线能谱分析图；
[0029]图3为实施例1所得含三组分铜基单原子合金催化剂的透射电子显微镜图；
[0030]图4为实施例1所涉及的二氧化碳电还原流动池装置示意图；
[0031]图5为实施例1所得含三组分铜基单原子合金催化剂在流动池中催化二氧化碳电还原反应的法拉第效率；
[0032]图6为实施例1所得含三组分铜基单原子合金催化剂在流动池中催化二氧化碳电还原反应的偏电流密度
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电势曲线；
[0033]图7为实施例1所涉及的二氧化碳电还原膜电极装置示意图；
[0034]图8为实施例1所得含三组分铜基单原子合金催化剂在膜电极中进行恒电流二氧化碳还原稳定性测试的阴极电势
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时间曲线和法拉第效率
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时间曲线；
[0035]图9为实施例2所得含三组分铜基单原子合金催化剂的高分辨透射电子显微镜照片；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含三组分铜基单原子合金催化剂，其特征在于，通过在铜纳米颗粒表面引入均匀分布的合金化的钯单原子和锑单原子得到，铜原子、钯原子与锑原子的摩尔比范围满足(85+x+y)：x：(15
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x
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y)，0<x+y≤15且0<x<15。2.根据权利要求1所述含三组分铜基单原子合金催化剂，其特征在于，所述含三组分铜基单原子合金催化剂的颗粒尺寸在10～30纳米。3.一种含三组分铜基单原子合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：配置硼氢化钠浓度为2～4摩尔每升的醇水混合液，以及在无水乙醇中溶解有铜前驱体盐、钯前驱体盐和锑前驱体盐的乙醇溶液；其中，乙醇溶液中铜离子、钯离子与锑离子的摩尔比范围满足(85+x+y)：x：(15
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x
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y)，0<x+y≤15且0<x<15，铜离子浓度为0.4～0.5摩尔每升；步骤2：在氮气或惰性气体氛围下，向醇水混合液快速加入其0.5倍体积的乙醇溶液，在0～4摄氏度冰水浴中搅拌反应1小时，得到反应溶液；步骤3：所得反应溶液经去离子水冲洗，无水乙醇冲洗，过滤干燥后，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏川，薛婧，李旭，江秋，郑婷婷，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：