一种纳米Ag-Cu基合金催化剂的制备方法及应用技术

一种纳米Ag

【技术实现步骤摘要】
一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种合金催化剂的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]现代工业的发展严重依赖着煤炭、天然气和石油等化石能源。时至今日，化石能源在供电、供热等方面发挥着不可取代的作用，服务于社会发展的方方面面。但化石能源大量消耗的同时，由于碳排放等带来了一系列环境问题，如温室效应，目前大气中的CO2浓度已经达到410ppm，显著高于350ppm的临界值，导致了全球变暖的日益加剧。新能源技术的发展，使得对光能、风能、潮汐能等的利用逐渐成熟，新能源电力的成本不断下降，在世界总能源消耗的占比也不断提高。根据估算，仅凭风能与光能的利用即可满足世界能量需求。但由于新能源发电技术往往存在间歇性，如何设计能源结构以储存部分时间区间内的过剩电力，并在发电效率不足时释放能量弥补能量缺口，是目前实现新能源技术普及并逐步替代传统能源的重要议题。
[0003]如果将过剩电力储存在电池中，根据当下电池技术的发展，储存成本为80欧元/kWh；而如果把过剩电力通过电解水或电还原CO2、N2等以较稳定的化学物质储存，储存成本将大大降低至＜1欧元/kWh，而且所得到的产物如H2、碳氢化合物、CO和NH3等可以直接应用于现代工业和社会需求，实现与当前社会发展的无缝衔接。利用电催化还原CO2为CO或碳氢化合物，为实现“人工光合作用”提供了一个发展机遇。相比于热催化或光催化还原CO2技术，电催化CO2还原在室温常压下即可高效进行，反应条件温和，转化效率高，是最有可能实现人工碳循环的方法之一。
[0004]根据主要产物的选择性，可以将传统金属催化剂大致分为四类：
①
以Au、Ag、Zn为代表的金属以CO为主要产物；
②
以Pb、Sn、Hg为代表的金属以HCOO
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为主要产物；
③
唯一可以催化还原CO2为多碳产物的Cu金属；
④
Ni、Fe、Pt等与CO2还原中间产物CO吸附能力太强以至于催化剂易中毒失活，主要发生析氢反应(HER)。但目前使用纯过渡金属催化剂时，对中间产物的吸附能力往往偏离最佳值，导致催化选择性低、电流密度低等的问题。通过将具有不同中间产物吸附能力的金属作合金化来设计催化剂，改善催化剂对中间产物的吸附能力，从而提高催化性能是实现高效电催化CO2还原的有效方法。由于Ag对中间产物CO的吸附能力较差，导致催化活性较弱，通过与有着较强吸附CO能力的Cu金属进行合金化有望提高Ag基催化剂的催化性能。但传统合成方法如冶金、电沉积、共沉淀法以及直接还原方法往往存在着AgCu合金催化剂产物纯度低、组分均匀度低、粒径差异大等问题，进而影响催化剂的均一性，导致催化性能低。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决现有工艺制备的AgCu合金催化剂存在着均一性不佳导致催化性能低的问题，而提供一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法及应用。
[0006]一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法，它是按以下步骤完成的：
[0007]一、制备前驱体盐溶液：
[0008]将表面活性剂溶解于含醇有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到表面活性剂溶液，然后在氩气或氮气环境下，向表面活性剂溶液中加入金属盐，搅拌至混合均匀，得到前驱体盐溶液；
[0009]所述的表面活性剂的物质的量与含醇有机溶剂的体积比为(0.002～2)mmol:20mL；
[0010]所述的金属盐为银盐和铜盐的混合物，所述的金属盐中金属元素的物质量之和与含醇有机溶剂的体积比为(0.02～0.2)mmol:20mL，所述的银盐中银元素与铜盐中铜元素的摩尔比为1:(0.11～9)；
[0011]或所述的金属盐为银盐、铜盐和镉盐的混合物，所述的金属盐中金属元素的物质量之和与含醇有机溶剂的体积比为(0.02～0.2)mmol:20mL；所述的银盐中银元素与铜盐中铜元素的摩尔比为1:(0.125～7)；所述的银盐中银元素与镉盐中镉元素的摩尔比为1:(0.125～0.9)；
[0012]二、还原：
[0013]在惰性气体保护及温度为160℃～190℃的条件下，将前驱体盐溶液搅拌反应12min～60min，自然冷却至室温，得到反应产物；
[0014]三、分离、洗涤、干燥：
[0015]在转速为7800rpm～12000rpm的条件下，将反应产物离心3min～10min，分离得到催化剂颗粒，随后用无水乙醇或正己烷洗涤3次～5次，将洗涤后的产物真空干燥12h～24h，得到初产物；
[0016]四、去除配体：
[0017]在氩气或氮气气氛及温度为473K～773K的条件下，将初产物处理1h～4h，最后分散于正己烷中待用，得到纳米Ag
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Cu基合金催化剂。
[0018]一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的应用，纳米Ag
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Cu基合金催化剂作为原料制备工作电极，用于电催化CO2还原。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020]一、本专利技术利用含醇有机溶剂如乙二醇等低毒、热稳定性好、较为廉价的绿色溶剂，其在较高温度下(>160℃)具有温和的弱还原性，可以用来还原金属盐制备金属纳米粒子。采用此类反应条件较为温和的热还原方法可以制备得到组分均匀、粒径均一的金属纳米粒子，进而可具有更优异的催化性能。
[0021]二、本专利技术利用热还原法制备的纳米Ag
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Cu基合金催化剂表现出优异的电催化CO2还原性能，当银元素与铜元素的摩尔比为4:1，还原反应时间为20min时，其在工作电势为
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1.6V vs Ag/AgCl下CO的选择性达到了96％，均高于现有Ag
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Cu合金催化剂。
[0022]三、本专利技术通过调节Ag
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Cu的摩尔比例，实现了高效电催化CO2还原为CH4。当银元素与铜元素的摩尔比为1:4，还原反应时间为20min时，在工作电势为
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2.2V vs Ag/AgCl下CH4的选择性达到了45％，均高于现有Ag
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Cu合金催化剂。
[0023]四、本专利技术中在Ag
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Cu基催化剂中掺入第三种元素，实现了在较大工作电势区间内高效电催化CO2还原。当银元素、镉元素与Cu元素的摩尔比为8:1:1，在工作电势为
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1.5～
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1.8V vs Ag/AgCl区间内均保持CO选择性为90％以上。
[0024]本专利技术用于一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法及应用。
附图说明
[0025]图1为实施例一中制备的纳米Ag
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Cu基合金催化剂的催化选择性随施加电势变化曲线，1为CO，2为H2，3为C2H4；
[0026]图2为对比实验一制备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：一、制备前驱体盐溶液：将表面活性剂溶解于含醇有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到表面活性剂溶液，然后在氩气或氮气环境下，向表面活性剂溶液中加入金属盐，搅拌至混合均匀，得到前驱体盐溶液；所述的表面活性剂的物质的量与含醇有机溶剂的体积比为(0.002～2)mmol:20mL；所述的金属盐为银盐和铜盐的混合物，所述的金属盐中金属元素的物质量之和与含醇有机溶剂的体积比为(0.02～0.2)mmol:20mL，所述的银盐中银元素与铜盐中铜元素的摩尔比为1:(0.11～9)；或所述的金属盐为银盐、铜盐和镉盐的混合物，所述的金属盐中金属元素的物质量之和与含醇有机溶剂的体积比为(0.02～0.2)mmol:20mL；所述的银盐中银元素与铜盐中铜元素的摩尔比为1:(0.125～7)；所述的银盐中银元素与镉盐中镉元素的摩尔比为1:(0.125～0.9)；二、还原：在惰性气体保护及温度为160℃～190℃的条件下，将前驱体盐溶液搅拌反应12min～60min，自然冷却至室温，得到反应产物；三、分离、洗涤、干燥：在转速为7800rpm～12000rpm的条件下，将反应产物离心3min～10min，分离得到催化剂颗粒，随后用无水乙醇或正己烷洗涤3次～5次，将洗涤后的产物真空干燥12h～24h，得到初产物；四、去除配体：在氩气或氮气气氛及温度为473K～773K的条件下，将初产物处理1h～4h，最后分散于正己烷中待用，得到纳米Ag
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Cu基合金催化剂。2.根据权利要求1所述的一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、N
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甲基吡咯烷酮、十八烷基胺盐酸盐或仲烷基磺酸钠。3.根据权利要求1所述的一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的含醇有机溶剂为三缩乙二醇、二甘醇、乙二醇或丙三醇。4.根据权利要求1所述的一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法，其特征在于步骤一所述的银盐为硝酸银。5.根据权利要求1所述的一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的铜盐为硝酸铜、醋酸铜、乙酰丙酮铜、氯化铜、硫酸铜或醋酸亚铜。6.根据权利要求1所述的一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的制备方法，其特征在于步骤一中所述的镉盐为乙酸镉。7.如权利要求1制备的一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的应用，其特征在于纳米Ag
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Cu基合金催化剂作为原料制备工作电极，用于电催化CO2还原。8.根据权利要求7所述的一种纳米Ag
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Cu基合金催化剂的应用，其特征在于所述的工作电极的具...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志江，时曜轩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：