用于电化学CO2还原的CU/CU2O界面纳米结构制造技术

一种电化学还原CO2的方法，所述方法包括使用包含Cu/Cu2O界面的Cu/Cu2O颗粒催化剂。所述催化剂可以包括在电化学电池中，用于将CO2转化为增值产品。所述电化学电池可以包括阳极、包括含有Cu/Cu2O界面的Cu/Cu2O颗粒的阴极，以及含有CO2或CO3‑2的水性介质。通过在向所述电池供电的同时使所述Cu/Cu2O颗粒与所述水性介质接触来还原CO2或CO3‑2。所述Cu/Cu2O颗粒中的所述Cu/Cu2O界面导致CO2的由其电化学还原所致的转化具有更高的法拉第效率。原所致的转化具有更高的法拉第效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学CO2还原的CU/CU2O界面纳米结构

技术介绍

[0001]全球能源消耗主要依赖于化石燃料的燃烧，但需要开发可持续的替代品来保证长期的经济增长，同时减轻人为二氧化碳(CO2)排放量增加带来的环境问题。为了解决这一问题，同时解决大气CO2浓度升高的问题，有人提议将二氧化碳电化学还原为基于碳的增值产品，这些产品本身可用作燃料或燃料前体。用于将二氧化碳电化学转化为增值产品的具成本效益的过程可能需要高效、具选择性且稳定的电催化剂。
[0002]贵金属是用于CO2转化的电催化剂的潜在候选物。铜是廉价的金属，因此是潜在的电催化剂候选物，铜纳米结构具有更多用于电化学CO2还原的表面和活性位点。
[0003]氧化亚铜(Cu2O)是很好的光催化剂，而铜(Cu)则是很好的电催化剂。这两种催化剂都用于还原CO2。然而，尽管金属铜(Cu)可能是CO2还原的良好电催化剂，但Cu表面的氧化会阻碍电催化活性。因此，Cu的无意氧化不利于电化学CO2还原，特别是增加了还原的过电位。
[0004]另一方面，氧化亚铜(Cu2O)在电化学CO2还原过程中可以有效地与氢偶联。氧化亚铜(Cu2O)是Cu的三种稳定氧化物形式之一，其氧化态为+1。Cu2O的晶格常数为Cu原子以面心方式排列，而O原子以体心方式排列。Cu原子与两个O原子线性配位，而O原子与四个Cu原子呈四面体配位。以前的研究主要集中于Cu2O在Cu膜上的合成。然而，缺乏对Cu薄膜的表面积和活性位点的研究。

技术实现思路

[0005]根据一方面，CO2的电化学还原方法包括提供包括阳极和阴极的电化学电池，所述阴极包括具有Cu/Cu2O界面的Cu/Cu2O颗粒。将含有CO2或CO3‑2的水性介质引入到电池中。通过在向电池供电的同时使所述颗粒与水性介质接触来使CO2或CO3‑2还原。
[0006]根据另一方面，用于电化学还原CO2或CO3‑2的电化学电池包括阳极；包括具有Cu/Cu2O界面的Cu/Cu2O颗粒的阴极；被布置在阳极和阴极之间的电解质；以及与阴极接触的含有CO2或CO3‑2的水性介质。
附图说明
[0007]图1是Cu2O晶体的SEM图像。
[0008]图2是图1的Cu2O晶体的尺寸分布图。
[0009]图3是图1的Cu2O晶体的EDS分层图像。
[0010]图4是图1的Cu2O晶体的EDS元素映射。
[0011]图5是图1的Cu2O晶体的EDS能谱。
[0012]图6是根据本专利技术主题的Cu/Cu2O颗粒的SEM图像。
[0013]图7是图6的Cu/Cu2O颗粒的SEM近距离图像。
[0014]图8是图6的Cu/Cu2O颗粒的SEM远距离图像。
[0015]图9是图6的Cu/Cu2O颗粒的EDS能谱。
[0016]图10是图1的Cu2O晶体的XRD图。
[0017]图11是图6的Cu/Cu2O颗粒的XRD图。
具体实施方式
[0018]本专利技术主题包括氧化铜纳米结构(在本文中也称为晶体)，该氧化铜纳米结构经历受控反应从而使氧化铜(Cu2O)仅被部分还原为元素铜(Cu)，由此形成包括元素铜和氧化铜的Cu/Cu2O结构(也称为颗粒)。
[0019]Cu/Cu2O颗粒在Cu和Cu2O之间具有高能界面，该界面在本文中称为Cu/Cu2O界面。Cu/Cu2O界面为CO2电还原提供了活性位点。在CO2电化学还原过程中，Cu/Cu2O界面通过重构使它们的自由能最小化，并且增强吸附物覆盖的原子尺度粗糙界面(atomically rough interface)上的分子吸附和活化。Cu/Cu2O颗粒利用了Cu和Cu2O化学活性两者的优点，因为它们包含元素铜和氧化铜两者。Cu/Cu2O颗粒可经由其Cu/Cu2O界面处的高能活性位点用于电化学CO2还原，从而使CO2被更有效地转化用于生产增值产品，诸如乙二醇、甲酸(HCOOH)、甲醇(CH3OH)、乙烯(C2H4)、甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)或一氧化碳(CO)。
[0020]本专利技术主题包括形成包含Cu/Cu2O界面的Cu/Cu2O颗粒的方法。该方法包括使Cu2O晶体(参见例如图1
‑
4和10)与还原剂反应成使得Cu2O晶体没有被完全还原为元素Cu，而仅部分Cu2O晶体被还原从而使得一些Cu2O得以保留并且一些被还原为元素Cu，由此形成具有Cu/Cu2O界面的Cu/Cu2O颗粒(参见例如图5
‑
9和11)。
[0021]被还原形成Cu/Cu2O颗粒的Cu2O晶体本身可以作为该方法的一部分来合成，或者它们可以从供应商处购买或以天然存在的晶体的形式获得。
[0022]如果Cu2O晶体是合成的，则其可以按照搅拌下的湿化学过程通过以下步骤来形成：制备包含溶解在溶剂中的铜离子贡献者的溶液，将溶液加热至30
‑
100℃的温度，向溶液中添加pH调节剂以使得溶液的pH值为2
‑
12，向溶液中添加还原剂从而形成反应混合物，以及使反应混合物在30
‑
100℃的温度下反应1
‑
1000分钟从而使Cu2O晶体从反应混合物中沉淀出来。
[0023]所述溶剂可以包括能够溶解其他原料的任何液体，并且可以包括自来水或去离子水、氨水溶液或有机溶剂(诸如甲醇、乙醇、丙酮、醚或甘油)。在一个非限制性实施方案中，所述溶剂包括去离子水。
[0024]铜离子贡献者可以是能够贡献铜离子(Cu
2+
)的任何物质，包括例如铜盐或其水合物。铜盐可以包括例如氯化铜(II)(CuCl2)、氟化铜(II)(CuF2)、氯化铜(II)(CuCl2)、溴化铜(II)(CuBr2)、碘化铜(II)(CuI2)、碘化亚铜(CuI)、氧化铜(II)(CuO)、硫化铜(II)(CuS)、硫酸铜(II)(CuSO4)、氮化铜(II)(Cu3N2)、硝酸铜(II)(Cu(NO3)2)、磷化铜(II)(Cu3P2)、醋酸铜(II)(Cu(CH3COO)2)、氢氧化铜(II)(CuOH)2、碳酸铜(II)(CuCO3)和乙酰丙酮酸铜(II)(Cu(C5H7O2)2)或它们的组合。在非限制性实例中，铜离子贡献者包括醋酸铜(II)水合物(Cu(CH3COO)2·
H2O)。
[0025]铜离子贡献者可以作为固体添加到溶剂中，该固体然后溶解在溶剂中。反应中使用的铜离子贡献者的量不是关键的，并且铜离子贡献者可以以在反应混合物中提供1
‑
40mM的摩尔浓度的量被包含。铜离子贡献者还可以以在反应混合物中提供5
‑
15mM，或9
‑
11mM，或10mM的摩尔浓度的量被包含。在一个非限制性实例中，铜离子贡献者是乙酸铜(II)水合物，
并且以在反应混合物中提供35
‑
40mM的摩尔浓度的量被包含用于合成Cu2O晶体。
[0026]合成Cu2O晶体的温度可以在30
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电化学还原CO2或CO3‑2的方法，其包括：提供包括阳极和阴极的电化学电池，所述阴极包括具有Cu/Cu2O界面的Cu/Cu2O颗粒；将水性介质引入到所述电池中，所述水性介质包含CO2或CO3‑2；以及通过在向所述电池供电的同时使所述Cu/Cu2O颗粒与所述水性介质接触来还原所述CO2或CO3‑2。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述Cu/Cu2O颗粒是纳米级的。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述Cu/Cu2O颗粒包括18刻面多面体Cu/Cu2O颗粒。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述Cu/Cu2O颗粒的刻面具有粗糙表面并且包括所述Cu/Cu2O界面。5.根据权利要求3所述的方法，其中所述Cu/Cu2O颗粒包括十二个(110)刻面和六个(100)刻面。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述Cu/Cu2O颗粒具有大于2:1的Cu:O原子比。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述Cu/Cu2O颗粒具有大于10:1的Cu:O原子比。8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括通过以下步骤制备所述Cu/Cu2O颗粒：提供Cu2O晶体；以及使所述Cu2O晶体与还原剂在预定温度下反应预定时间，从而形成所述Cu/Cu2O颗粒。9.根据权利要求8所述的方法，其中：所述还原剂包括水合肼；所述预定温度为50
‑
70℃；并且所述预定时间为1
‑
10分钟。10.根据权利要求8所述的方法，其中所述Cu2O晶体是通过以下步骤提供的：形成包含溶解在溶剂中的铜离子贡献者的溶液；将所述溶液加热至55
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈固纲，饶毅，李霞，
申请(专利权)人：犹他州立大学，
类型：发明
国别省市：