[发明专利]一种二氧化碳电化学还原用铜电极的制备及其应用

说明书

本发明涉及一种二氧化碳电化学还原用铜电极的制备及其应用，该电极制备方法包括：基底的处理、基底的高温氧化、前驱体铜盐溶液与碱性沉淀剂、还原剂和添加剂以一定比例进行混合后通过水热法沉积铜，结合电化学恒电位还原、浓盐酸洗，制备得到铜电极。本发明通过化学氧化反应在基底上生长出具有纳米线结构的Cu氧化物，然后通过水热反应在其表面生长薄层纳米颗粒，水热反应过程中引入了表面活性剂及还原剂，通过表面活性剂对基底金属表面的定向吸附，可调控金属氧化物的生长取向，通过水热反应沉积引入还原剂，将基底层的纳米线部分还原形成空穴铜，并在其表面沉积高比表面的纳米铜颗粒，增大铜电极的活性比表面积，并增大边、角活性位点的比例。

技术领域

本发明属于二氧化碳电化学还原反应铜电极制备及其应用技术领域，尤其涉及一种二氧化碳电化学还原用铜电极的制备及其应用。

背景技术

随着我国社会经济的高速发展，国民对于能源的需求量日益增加，煤、石油、天然气等化石能源的消耗会造成空气中CO₂气体的过量排放，由此引发的“温室效应”问题也日益突出，已经严重影响到人类的生存和社会的可持续发展。CO₂作为一种丰富的碳源，如何减少其排放量及有效转化为高附加值的化学品已经成为了近年来世界众多研究者们的研究热点。迄今为止，对CO₂固定及转化的方法有很多，包括：CO₂催化加氢、催化重整、光催化还原法、有机合成法、电化学还原法以及高分子合成法等等，通过上述多种方法可以把稳定的CO₂催化活化为碳氢化合物、甲酸以及CO等多种物质中的一种或者两种以上。与其他转化方法相比，电化学催化还原法拥有耗能低、反应条件温和(即在常温常压条件下即可)等优点，在所有的CO₂转化方法中是最有前景的方法之一，同样，也是当前科研热点课题。

电催化还原CO₂(ERC)技术是利用电能将CO₂催化还原为高附加值的化学品，例如：CH₄、C₂H₄、C₂H₆、CO、CH₃OH、HCOOH等，能够高效实现对CO₂的资源化再利用。电能可以直接来源于太阳能、风能、潮汐能等可再生能源，不会再产生新的污染物，再将电能转化为化学能，能够实现真正意义上的碳循环利用，符合绿色化学的理念。CO₂的催化转化不仅可以减轻对环境的污染，还可以作为可再生清洁能源用来减少对煤、石油、天然气等化石燃料的依赖，实现变废为宝，最终实现对CO₂的有效利用，降低空气中CO₂的浓度，对缓解“温室效应”作出了重大贡献。在未来的化工事业中，CO₂的资源化再利用工业逐渐成长为一个化工朝阳产业，它的蓬勃发展对解决人类面临的环境与能源问题具有重要意义。

CO₂中C的价态为+4价，是碳的最高价态，其分子构型是直线型，从化学角度来看，分子处于很稳定的状态，与惰性气体类似，不能再失去电子发生氧化反应，能得到电子发生还原反应，但由于分子相对较稳定，因而实现CO2还原也相对很困难。在电催化还原CO₂过程中的第一步反应是CO2得到一个电子生成一个带负电的CO₂自由基(CO₂·-)，此半反应的标准电极电势为-1.90V(vs RHE)，过电位较高，此过程被认为是电催化还原的决速步骤，加快反应速率和提高催化效率的基础是降低过电位，降低活化能，必然需要催化剂的加入，加入催化剂后能够克服高的能垒，从而降低了反应的活化能，也降低了过电位。