[发明专利]碳掺杂铜纳米氧化物自支撑电极、其制备方法及其催化分解水的方法

说明书

本发明公开了一种碳掺杂铜纳米氧化物自支撑电极的制备方法及应用。公开了制备方法如下：将表面有黑色的铜氧化物的铜丝浸泡在50℃柠檬酸钠的碱性溶液(0.1mol/L NaOH)中，每隔15min将温度调高5℃，直到90℃，待水蒸干后取出样品，置于高压釜中，在180℃条件下反应12h，得到自支撑碳掺杂铜复合催化剂CW@C/CuO/Cu₂O/Cu(OH)₂NPs。通过场发射‑能谱(FESEM‑EDS)方法证实了碳已经成功掺杂到铜纳米氧化物内部，碳的良好导电性和稳定性对CW@CuO/Cu₂O/Cu(OH)₂NPs材料进行了改良。在催化分解水制备氢气和氧气过程中，该电极表现出良好的稳定性和较大的电流密度。当电位分别在OV和0.5V作用下，还原和氧化电流密度均能达到800mA·cm^‑2。掺杂后电极的催化电流密度是未掺杂碳材料的电极的1.5～3倍。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种碳掺杂铜纳米氧化物自支撑电极、其制备方法及其催化分解水的方法。

背景技术

随着化石燃料资源的逐渐减少及其对环境的污染，发展清洁、能量密度高的可再生能源显得非常重要。水是地球上最丰富的一种化合物，氢气具有高能量密度，燃烧产物为水，无污染。因此，将大自然中水中的氢原子还原为氢气而将能量储存起来是最具有吸引力的储能方式。然而，目前工业上通过电解水制备氢气和氧气，无论电极材料是贵金属还是过渡金属，所需电位均在1.6V以上。文献报道的使用过渡金属及其化合物的缺陷在于电极材料催化效率不高，所需电位值大而导致能耗高，还存在电极材料使用寿命短而需要经常更好电极等。专利申请CN109868485A公开了铜氧化物纳米片自支撑电极、其制备方法及其催化分解水的方法，该电极为在表面获得均匀黑色铜氧化物纳米片的细铜丝，其制备的自支撑电极实现了超低电位下催化分解水。但是该电极催化电流密度低，在电解水制氢和氧过程中电流效率低。

因此，开拓新型的催化剂，降低分解水的能耗，解决目前电解水高能耗的问题有着非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种碳掺杂铜纳米氧化物自支撑电极、其制备方法及其催化分解水的方法。

本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供了一种碳掺杂铜纳米氧化物自支撑电极的制备方法，具体如下：

(1)将表面含有铜氧化物的铜丝浸泡在50℃柠檬酸钠的碱性溶液(0.1mol/LNaOH)中，每隔15min将温度调高5℃直到90℃，待水蒸干后取出样品置于高压釜中，在180℃恒温箱中反应12h，得到自支撑碳掺杂铜复合催化剂CW@C/CuO/Cu₂O/Cu(OH)₂NPs。

本发明电极制备简单，铜丝表面的氧化铜和氧化亚铜与内部的铜结合良好，无需另加支撑导电材料即可作为电极使用。在分解水的过程中，该电极表现出良好的稳定性和较大的电流密度。

第二方面，本发明还提供上述方法制备得到的碳掺杂铜氧化物纳米片自支撑电极，该自支撑电极以铜丝为基底，碳掺杂铜氧化物纳米片均匀包裹在铜丝表面，其中铜氧化物为氧化亚铜和氧化铜纳米材料。

第三方面，本发明还提供了上述碳掺杂铜氧化物纳米片自支撑电极催化分解水的方法，具体为：以上述自支撑电极为工作电极，以氯化银电极为参比电极，碳棒为辅助电极，电解质为1.0mol/L NaOH溶液。

电化学实验结果表明该电极在电位为-0.1V～+0.2V能够催化分解水产生氧气；在+0.5～+1.0V催化分解水产生氢气，在前述范围内的最大氧化峰电流和最大还原峰电流密度都能达到800mA·cm^-2。