[发明专利]Cu NPs-rGO电催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明属于纳米新材料领域，具体涉及一种Cu NPs‑rGO电催化剂的制备方法及其应用，通过水热法和氢氩混合气退火处理合成了二维的还原氧化石墨烯负载零价的铜纳米颗粒(Cu NPs‑rGO)，相比于氧化铜催化剂而言，零价铜催化剂更容易形成反馈π键，因此更容易吸附和活化氮气，提高催化活性，制备方法简单易行，本发明以还原性的氧化石墨烯作为基底能够进一步增强材料的导电性，也能更好的分散铜纳米颗粒和稳定单质铜，所制得的Cu NPs‑rGO催化剂在‑0.4V的电位下具有较高的产氨速率(24.58μg h^‑1mgcat.^‑1)和法拉第效率(15.32％)。

技术领域

本发明属于纳米新材料领域，具体涉及一种Cu NPs-rGO电催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

氨是一种重要的工业原料，在农业、塑料、医药、纺织行业等领域发挥着不可替代的作用。由于氨的液化压力低，理想的储氢介质和不含碳等特性，已经被广泛使用。目前，工业生产氨主要依靠传统的Haber-Bosch工艺，其中氮气和氢气要通过多相催化剂在高压(150-300 atm)、高温(300-500摄氏度)的条件下才能被共同催化。然而，这个过程每年消耗的化石能源占全球化石能源总量的1％以上，并造成300百万公吨的二氧化碳排放量。因此，需要经济、可持续的替代方案。在环境条件下从氮气和水中通过电化学催化作用实现人工固氮是一种实现清洁、无碳和可持续发展的有效的方法，具有巨大潜力，因此，成为替代传统的Haber-Bosch 工艺的良好选择。然而，高效的氮气还原的电催化剂是最重要部分。贵金属催化剂具有导电性好，活性晶面多，易与反应物结合等优点，因此展现出优越的氮气还原性能，但它们的实际应用却受到资源短缺，成本高，法拉第效率低的限制。所以，发展低成本和地球资源丰富的电催化剂，仍然具有极大的挑战性。

铜是一种廉价过渡金属，其独特的物理化学性质，引起了人们的极大研究兴趣。由于铜的价态范围很广，铜基材料可以发生多种反应。一般来说，金属和氮之间的反馈π键作用减弱 N≡N键，对氮气的固定和活化具有至关重要的作用。因此，对零价铜催化剂比氧化铜催化剂更容易形成反馈π键。另一方面，发展铜基催化剂最主要的挑战时合成具有高活性、稳定性、抗氧化性的便宜零价铜纳米粒子纳米。通常，在基底上固定铜纳米粒子是一种有效的方法。近几年，氧化石墨烯(GO)由于其作为优良的催化剂载体具有比表面积高，导电性好，纳米粒子耦合能力强的特点而备受关注。

发明内容

本发明目的在于提供一种Cu NPs-rGO电催化剂的制备方法，所制得的Cu NPs-rGO电催化剂应用于电催化人工固氮制备氨气中，具有高效、高选择性的优点。

本发明所述的Cu NPs-rGO电催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)将CuAc₂·H₂O、氧化石墨烯溶于水中制得混合液，混合液超声波处理；

(2)混合液转移至烘箱内进行水热反应，水热反应的条件为175-180℃，2-2.5小时，水热反应后产物离心处理，并用水洗涤得固体产物；

(3)将所得固体产物置于冻干机内冻干后取出进行研磨得粉末；

(4)研磨后的粉末置于管式炉内，通入气氛，490-510℃退火3-3.5h，即得Cu NPs-rGO 成品。

CuAc₂·H₂O与氧化石墨烯的质量比为4-5：1。

气氛为氩气和氢气的混合气。

将制得的Cu NPs-rGO成品与Nafion溶液溶于乙醇溶液中，置于超声机内超声处理，然后将超声后的溶液滴涂到碳纸表面，室温晾干后得工作电极。

冻干时间为20-24小时。