一种片状Cu-ZIF-8材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开一种片状Cu

【技术实现步骤摘要】
一种片状Cu
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ZIF
‑
8材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种片状Cu
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ZIF
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8材料的制备方法及其应用，属于电催化二氧化碳还原催化剂的制备


技术介绍

[0002]随着科技的发展和人口的剧增，人们对能源的需求越来越大。此外，人们对能源的使用仍以燃烧化石燃料为主，会产生大量二氧化碳（CO2）气体排放到空气中，加剧了能源危机和温室效应。如何将大气中过量CO2转化为C1（CO、HCOOH等）和C2（C2H4等）等各种能源物质，成为人们研究的热点。
[0003]在过去的几十年里，已经开发出多种用于电催化二氧化碳还原技术（CO2RR）的催化剂，例如金属、金属氧化物、金属合金和碳材料。在金属基催化剂中，铜基催化剂是唯一一种可以形成双碳产物的催化剂。然而，铜基催化剂面临着许多问题，包括稳定性差、过电位高和选择性低，限制了商业应用。贵金属，如Ag和Au，可以在较低的电位下有效地将CO2转化为CO，但高昂的成本限制了它们的广泛应用。因此，寻找具有更高活性和选择性的非贵金属催化剂迫在眉睫。
[0004]在众多金属有机框架材料中，沸石咪唑酯骨架（ZIF）被认为是生产碳化催化剂的理想前体，因为它们具有受控的孔隙率、大表面积和均匀的杂原子装饰。此外，ZIF
‑
8材料具有较高的CO2吸附性能，这是CO2电化学还原的重要步骤。
[0005]公开号为CN107447228A的中国专利文件，公开了一种电催化还原二氧化碳的方法，将ZIF
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8材料在经过含氩气氛围下高温煅烧得到改性ZIF
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8材料，将其应用于不同的电解质溶液中电催化还原CO2。由于有的改性ZIF
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8材料经高温破坏ZIF
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8结构，且该改性ZIF
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8材料的产物仅仅是CO和H2以及法拉第效率不超过65%，产物单一以及法拉第效率低限制了工业化应用。
[0006]公开号为CN109999875A的中国专利文件，公开了一种用于电催化CO2还原的Cu、N掺杂的碳基催化剂及其制备方法，通过一步法合成Cu
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ZIF
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8，将Cu
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ZIF
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8在高温下煅烧除去Zn，得到Cu、N掺杂的碳基催化剂。该方法破坏了ZIF
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8结构，没有利用到ZIF
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8本身的性能（吸附CO2），产物的单一性（CO和H2）更进一步限制了工业化应用。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术问题是提供一种片状Cu
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ZIF
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8材料的制备方法，针对ZIF
‑
8作为催化剂用于电催化二氧化碳还原中产物单一性、法拉第效率低、导电性差的问题，通过以含铜盐的溶液对ZIF
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8进行合成后修饰得到CuX
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ZIF
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8，然后将CuX
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ZIF
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8在含氮的气氛下经过高温煅烧得到片状Cu
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ZIF
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8材料，该片状Cu
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ZIF
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8材料在电催化二氧化碳还原中表现出优异性的催化性能。
[0008]为解决上述问题，本专利技术提供了一种片状Cu
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ZIF
‑
8材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将锌盐、聚乙烯吡咯烷酮、2
‑
甲基咪唑分别溶于溶剂，配制成锌盐溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液、2
‑
甲基咪唑溶液，先将锌盐溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液混合均匀后，再加入2
‑
甲基咪唑溶液，然后搅拌10
‑
50s，在20
‑
40℃下反应20
‑
30h，得到含ZIF
‑
8的溶液；（2）将含ZIF
‑
8的溶液离心处理得第一固体物，第一固体物经甲醇或乙醇洗涤后，在60
‑
120℃下干燥1
‑
12h，获得ZIF
‑
8颗粒；（3）将ZIF
‑
8颗粒加入到含强酸铜盐的醇类有机溶剂中，混匀后在50
‑
85℃下反应1
‑
8h，反应完后离心处理得第二固体物，第二固体物经甲醇或乙醇洗涤后，在60
‑
120℃下干燥1
‑
12h，得到片状CuX
‑
ZIF
‑
8；（4）将片状CuX
‑
ZIF
‑
8在含氮的气氛下，升温至碳化温度，得到片状Cu
‑
ZIF
‑
8材料；所述步骤（1）中，锌盐为硝酸锌、醋酸锌、氯化锌中的一种；溶剂为水、甲醇、乙醇中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述步骤（3）中，X为强酸离子，Cl
‑
、SO
42
‑
、NO3‑
中的一种。
[0009]所述步骤（1）中，锌盐、2
‑
甲基咪唑和聚乙烯吡咯烷酮的用量与锌盐溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液和2
‑
甲基咪唑溶液总体积的比例为0.75mmol：3
‑
6mmol：0.075
‑
1.92mmol：20
‑
40ml。
[0010]所述步骤（3）中，强酸铜盐、ZIF
‑
8与醇类有机溶剂的比例关系为1
‑
10mmol:1mmol：25
‑
100ml。
[0011]所述步骤（3）中，所述强酸铜盐为硝酸铜、氯化铜和硫酸铜中的一种；醇类有机溶剂为甲醇或乙醇。
[0012]所述步骤（4）中，含氮的气氛为N2、NH3、N2的混合气和NH3的混合气中的一种。
[0013]所述步骤（4）中，含氮的气氛下的气体流量为50
‑
200mL/min，升温速率为3
‑
10℃/min，碳化温度为200
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500℃，碳化时间为1
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6h。
[0014]本专利技术制备方法制备的片状Cu
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ZIF
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8材料用作电化学还原二氧化碳催化剂，具体应用步骤如下：（1）将片状Cu
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ZIF
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8材料在真空条件和温度100
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150℃下活化12
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24h，将活化后的片状Cu
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ZIF
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8材料分散在含碳粉的Nafion试剂的乙醇或甲醇溶液中，超声分散均匀，得到混合液A；（2）电化学测量是在电化学工作站(CHI 760E)上进行的，在典型的三电极H型体系电解池中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片状Cu
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ZIF
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8材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将锌盐、聚乙烯吡咯烷酮、2
‑
甲基咪唑分别溶于溶剂，配制成锌盐溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液、2
‑
甲基咪唑溶液，先将锌盐溶液和聚乙烯吡咯烷酮溶液混合均匀后，再加入2
‑
甲基咪唑溶液，然后搅拌10
‑
50s，在20
‑
40℃下反应20
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30h，得到含ZIF
‑
8的溶液；（2）将含ZIF
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8的溶液离心处理得第一固体物，第一固体物经甲醇或乙醇洗涤后，在60
‑
120℃下干燥1
‑
12h，获得ZIF
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8颗粒；（3）将ZIF
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8颗粒加入到含强酸铜盐的醇类有机溶剂中，混匀后在50
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85℃下反应1
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8h，反应完后离心处理得第二固体物，第二固体物经甲醇或乙醇洗涤后，在60
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120℃下干燥1
‑
12h，得到片状CuX
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ZIF
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8；（4）将片状CuX
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ZIF
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8在含氮的气氛下，升温至碳化温度，得到片状Cu
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ZIF
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8材料；所述步骤（1）中，锌盐为硝酸锌、醋酸锌、氯化锌中的一种；溶剂为水、甲醇、乙醇中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述步骤（3）中，X为强酸离子，Cl
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、SO
42
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、NO3‑
中的一种。2.根据权利要求1所述的一种片状Cu
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ZIF
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8材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，锌盐、2
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甲基咪唑和聚乙烯吡咯烷酮的用量与锌盐溶液、聚乙烯吡咯烷酮溶液和2
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甲基咪唑溶液总体积的比例为0.75mmol：3
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6mmol：0.075
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1.92mmol：20
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40ml。3.根据权利要求1所述的一种片状Cu
‑
ZIF
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8材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，强酸铜盐、ZIF
‑
8与醇类有机溶剂的比例关系为1
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10mmol:1mmol：25
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100ml。4.根据权利要求1所述的一种片状Cu
‑
ZIF
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8材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琪，李秀萍，冯齐云，刘霞，董雅鑫，李熠豪，魏玉玉，凌奇，魏强，李阳，黄汇林，刘建路，
申请(专利权)人：山东海化集团有限公司，
类型：发明
国别省市：