一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于CO2还原电催化剂的技术领域，具体公开一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂及其制备方法。制备方法包括以下步骤：首先采用CuSO4溶液进行电沉积，将铜镀在三维碳布或碳纸载体上，然后通过湿法化学刻蚀将Al元素引入，干燥后即得所述Cu基催化剂。本发明专利技术制备得到叶片状Cu基催化剂，形成丰富的高活性位点，这些活性位点具有较高的还原活性和选择性，该Cu基催化剂能够实现还原CO2合成乙烷和乙烯的高选择性和高产率的反应，催化活性高，具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于CO2还原电催化剂的
，具体公开一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着全球能源需求的不断增长和环境污染问题的日益严重，科学界一直在寻求一种替代化石燃料的新方法。可再生能源被认为是一种有前景的选择，能够满足不断增长的能源需求，同时减少环境污染和全球变暖等问题。在这方面，电催化CO2还原被认为是一种很有潜力的方法，可以将CO2还原为有用的化学品和燃料，如一氧化碳、甲烷、乙烯和乙烷等。这种方法可以有效地减少二氧化碳排放，并且在能源生产方面具有广泛的应用前景。
[0003]在促进CO2还原反应的过程中，通过C
‑
C键耦合可以形成C2产物。相较于C1产物，C2产物具有更高的能量密度和更广泛的适用性，因此其经济价值也更高。
[0004]对于CO2还原生成的两种产物，它们首先都被还原成为吸附态的CO。然而，在后续的化学反应中，甲烷和乙烯的形成机理有着本质的区别。对于甲烷的生成，吸附态的CO会继续转化为CHO
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中间体，并随着C
‑
O键的断裂而生成甲烷。而在吸附态CO向乙烯的转化过程中，电极上相邻的两个吸附态CO会形成二聚体，并进一步转化为烯二醇或类似中间物种。这些中间物种最终会被还原为乙烯产物。通过这些中间体的进一步反应，可以得到多种有用的化学品和燃料。这种电催化CO2还原的方法提供了一种新的途径，可以促进可持续发展，减少环境污染和对化石能源的依赖，有望成为解决全球能源需求和全球变暖的重要方法之一。
[0005]因此，如何提高二氧化碳还原合成C2产物的选择性，获得更高的转换效率，需设计相应的技术方案给予解决，这对于开发新型碳资源化学工业具有重要的意义。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂及其制备方法。该催化剂具有高效的电催化反应活性，在CO2还原反应中对乙烯和乙烷气体具有高选择性，催化稳定性好，能显著提高对CO2利用的能量效率。
[0007]本专利技术的首要目的在于提出一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂的制备方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂的制备方法，包括以下步骤：首先采用CuSO4溶液进行电沉积，将铜镀在三维碳布或碳纸载体上，然后通过湿法化学刻蚀将Al元素引入，干燥后即得所述Cu基催化剂。
[0010]所述制备方法首先电沉积的合成方法，通过精确控制沉积参数(如电压和时间)，来获得高纯度的Cu。然后再用刻蚀液对其进行刻蚀，以消除块状Cu和Cu表面的小颗粒以及
引入Al元素获得叶片状结构，叶片状结构极大增加了催化剂的比表面积，提供了更多的电子通道，为后续进行电催化CO2还原反应提供了足够多的活性位点。
[0011]优选地，所述电沉积所用CuSO4溶液的浓度为0.01
‑
0.3M。
[0012]优选地，采用0.1
‑
3M的H2SO4调节所述CuSO4溶液pH值至1
‑
3。
[0013]优选地，所述湿法化学刻蚀的刻蚀溶液为NaOH与(NH4)2S2O8混合反应得到。
[0014]优选地，所述刻蚀溶液中NaOH质量为4
‑
12g，(NH4)2S2O8质量为1
‑
5g，引入Al源为NaAlO2的质量是0.1
‑
3g，水用量为30
‑
150mL。
[0015]优选地，所述电沉积采用恒电压法，电压为
‑
0.5V
‑
0.8V，沉积时间为600
‑
900s。
[0016]优选地，所述刻蚀的时间为2
‑
24小时。
[0017]所述叶片状Cu基催化剂的制备过程中，对Cu表面活性位点的多少起到关键性作用的因素有加入的铝源的量、电沉积的电压以及时间和刻蚀时间等，合理调控这些参数才能制备出形貌为叶片状的Cu基催化剂。Al元素在有效地嵌入Cu表面缺陷位点过程中铝源的选择、反应刻蚀的时间等都起着重要作用。
[0018]本专利技术的第二个目的在于提供上述方法制备得到的叶片状Cu基催化剂。
[0019]本专利技术还提供了上述叶片状Cu基催化剂在提高电催化CO2还原合成C2产物产率中的应用。
[0020]优选地，所述C2产物为乙烷或乙烯。
[0021]本专利技术提出了一种叶片状Cu基催化剂用于CO2还原制备乙烯乙烷气体的新方法。催化剂在CO2还原反应过程中，在三维碳纤维均匀分布的叶片状材料上形成丰富的高活性位点，这些活性位点具有较高的还原活性和选择性。叶片状Cu基催化剂能够促进CO2和电解液离子的传输，活性位点能有效促进CO2吸附能力，并且通过调节Cu和Al两种元素的比例，可以优化催化剂的吸附能力。在活性位点上吸附的CO2分子接着会发生还原反应，转化为有机物。叶片状Cu基催化剂能够在实现高选择性和高产率的反应。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优异效果主要体现在如下方面：
[0023]1、本专利技术通过构思新的技术方案制备出了一种高活性Cu基催化剂，所得形貌结构为叶片状，极大增加了催化剂的比表面积，提供了更多的电子通道，并为后续进行电催化CO2还原反应提供了足够多的活性位点，这些活性位点能有效促进CO2吸附能力，促进CO2和电解液离子的传输，具有较高的还原活性和选择性，从而能够实现高效率、高选择性的二氧化碳电化学还原反应。
[0024]2、本专利技术制备的叶片状Cu基催化剂在CO2还原过程中，主要是基于Al对Cu的辅助增效作用可以让反应偏向于生成乙烷，能够有效地促进CO2分子的还原转化为有机物。Cu基催化剂在CO2还原反应中可以形成一些由Cu和Al之间的相互作用所形成的活性位点，这些活性位点具有较高的还原活性和选择性。CO2分子首先被吸附在活性位点的表面上，以便进行下一步的反应。Cu基催化剂能够提供较高的CO2吸附能力，并且通过调节Cu和Al两种元素的比例，可以优化催化剂的吸附能力。在活性位点上吸附的CO2分子接着会发生还原反应，转化为有机物。CO2还原反应生成的有机产物会从活性位点上解离，然后在催化剂表面扩散并被拾取。该催化剂在CO2还原领域具有广泛的应用前景。
[0025]3、本专利技术制备的Cu基催化剂在应用于二氧化碳的电化学还原反应中，可以显著提高乙烯/乙烷气体的法拉第效率，催化活性高，为催化剂领域的研究和应用提供了重要的参
考价值。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1制备的Cu基催化剂的SEM图。
[0027]图2为本专利技术实施例1制备的Cu基催化剂的X射线能谱分析图。
[0028]图3本专利技术实施例1所得C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用CO2电化学合成乙烷的叶片状Cu基催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：采用CuSO4溶液进行电沉积，将铜镀在三维碳布或碳纸载体上，然后通过湿法化学刻蚀将Al元素引入，干燥后即得所述Cu基催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述CuSO4溶液的浓度为0.01
‑
0.3M。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用0.1
‑
3M的H2SO4调节所述CuSO4溶液的pH值至1
‑
3。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述湿法化学刻蚀的刻蚀溶液为NaOH与(NH4)2S2O8混合反应得到。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀溶液中NaOH质量为4
‑
12g，(N...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新，董思龙，许元妹，任博华，文国斌，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：