[发明专利]一种基于碳酸盐协同作用的二价铜二氧化碳还原催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于碳酸盐协同作用的二价铜二氧化碳还原催化剂及其制备方法，首先通过复分解反应在铜酸镧钙钛矿型氧化物上原位生长碳酸镧，然后将其与活性炭混合制备成电极浆料滴涂在玻碳工作电极上。在电催化二氧化碳还原反应过程中碳酸镧起到传递碳酸根参与反应的作用,能够显著提高碳酸根参与反应的效率，能够稳定存在的二价铜作为高效转化二氧化碳制一氧化碳的活性位点。发明制备的材料能够在常温常压下以接近60%的法拉第效率一步法制备乙烯，并且材料合成方法简单，原料成本低，具有一定工业价值，有望缓解当今能源和环境问题。

技术领域

本发明涉及电化学还原二氧化碳的阴极领域，具体的，是一种基于碳酸盐协同作用的二价铜催化剂及其制备方法在电还原二氧化碳制乙烯中的用途。

背景技术

化石燃料的无节制滥用不仅导致了严重的能源危机，还造成了大气和海洋中二氧化碳的浓度剧烈增加。空气中二氧化碳的浓度，从19世纪早期的280ppm，升高到现在的385ppm，并有研究机构预计到2100年将达到600ppm^[1]。二氧化碳浓度升高导致年平均气温升高，进一步导致了荒漠化进程加快和极端天气频繁出现。该方案不仅有望通过利用二氧化碳来降低大气中二氧化碳浓度，还能将时空局限较大的清洁能源(如太阳能、风能和潮汐能等)转化为稳定的化学能，建立起可持续的碳循环体系，是解决目前环境和资源双重压力的有前景的途径^[2,3]。然而，二氧化碳分子中碳碳双键使得二氧化碳分子具有很高的化学稳定性，制约了电化学转化的效率。因此，实现这项技术要解决的关键问题之一是开发高性能的电催化剂。

通常认为只有铜基催化剂才能以较高的法拉第效率将二氧化碳还原为乙烯。这是由于在反应动力学层面，铜对于大多数参与反应的中间体都有适度的结合能^[4]。尽管如此，大的过电势，较差的活性，剧烈的析氢反应(HER)使得块状金属铜几乎不能作为实用化的电还原二氧化碳催化剂。而且目前关于铜基催化剂用于电还原二氧化碳的研究往往局限于催化剂本身。例如，在对氧化铜衍生的铜催化剂的研究中，对催化剂晶面、晶界、形貌和比表面积对催化性能的影响进行了深入探究^[5,6]。然而，到目前为止对于助催化剂与催化剂间的协同作用、反应中间的传递过程研究甚少。对于面向实用化的催化剂，其与助催化剂的协同作用，甚至是与催化剂载体间的相互作用，对于催化剂发挥催化效果都会产生重大影响。

参考文献：

[1]Gottschalk J,Skinner L C,Lippold J,et al.Biological and physicalcontrols in the Southern Ocean on past millennial-scale atmospheric CO₂changes.[J].Nature Communications,2016,7(11539):11539.

[2]Mikkelsen M.The teraton challenge：A review of fixation andtransformation of carbon dioxide[J].EnergyEnvironmental Science,2010,3(1):43-81.

[3]Zhang L,Zhao Z J,Gong J.Nanostructured Materials for HeterogeneousElectrocatalytic CO₂Reduction and their Related Reaction Mechanisms[J].Angewandte Chemie International Edition,2017,56(38).

[4]Bagger,A.,Ju,W.,Varela,A.S.,Strasser,P.Rossmeisl,J.Electrochemical CO₂ Reduction:A Classification Problem[J].Chemphyschem2017,18.