[发明专利]一种富含孪晶界的铜纳米电极及其制备和应用

说明书

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种富含孪晶界的铜纳米电极及其制备和应用。所述铜纳米电极包括导电基底以及负载在其表面的铜纳米催化剂颗粒，所述铜纳米催化剂颗粒表面有大量的孪晶界的存在，构成所述孪晶界的晶面为Cu(111)和Cu(200)。本发明首次以碱式铜盐为前驱体，通过氢氧化钠的加入得到氢氧化铜/碱式铜盐混合物，后经过恒电位极化预还原得到富含孪晶界的铜纳米催化剂，构成所述孪晶界的晶面为Cu(111)和Cu(200)，夹角为53度。所述铜纳米电极可以提高二氧化碳还原产物多碳产物的选择性，可以将氢气的法拉第效率降低到17％及以下，将多碳产物的法拉第效率提高到68％以上，将乙烯的法拉第效率提高到62％以上。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种富含孪晶界的铜纳米电极及其制备和应用。

背景技术

众所周知，长久以来基于石油、煤、天然气等化石燃料所产生的能力在推动我国经济持续稳定增长以及满足人类的物质生活需求方面占据着极为重要的地位。人类对于化石燃料的大量使用使二氧化碳排放量极具增加，这打破了自然的碳循环平衡，导致了严重的“温室效应”。这会随之带来全球温度升高，冰川加速消融，海平面上升以及局部地区气候异常等问题，从而给人类和动植物的生存带来极大的挑战。并且根据预测，地球上现有的化石燃料可供应人类开发利用的时间大约只剩二百年。所以探索发现可再生的清洁能源来提低化石从而减少人类对于化石燃料的依赖是势在必行的。为了解决以上两个问题，最理想的方法是将CO₂气体固定并转化为烃类、醇类等高附加值的化学品以及清洁能源，从而实现人工碳循环。这种方法不仅在一定程度上解决了大气中CO₂过量的难题，也为缓解能源危机提供了一个新的思路。对于CO₂的转化技术，目前已经有了一些进展。电化学转化CO₂作为一种新型的技术，由于其所需反应条件比较温和，又可以与风能、太阳能等清洁能源，故而它是一种非常具有前景的转化方式。

电催化CO₂还原是一种在特定催化剂作用下，在常温常压下通过一定的外加电势就可以发生的反应。但是根据目前的研究，电催化CO₂还原也具有产物选择性低，动力学进程缓慢以及副反应析氢反应严重等问题。电催化CO₂还原反应过程复杂，所得产物分布广泛，而铜类催化剂是目前研究发现唯一一种可以还原CO₂生成多碳产物的金属催化剂。这是由于铜对反应中间体具有合适的吸附能以及具有合适的原子间距所决定的。

但是目前铜催化剂仍然存在着产物选择性低，稳定性差等问题，为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

降低副反应析氢反应，提高还原CO₂生成多碳产物的选择性是本领域技术人员一直追求的目标。本发明旨在通过对铜基催化剂进行不同维度的调控，从而设计出具有高选择性高活性高稳定性的CO₂电还原催化剂。本发明的创新点在于，本发明的富含孪晶界的铜纳米电极通过使用氢氧化铜/碱式铜盐混合物，在进行电化学二氧化碳还原反应的前几分钟意外得到，即还原反应的电解液饱和了二氧化碳。

本发明第一方面提供一种富含孪晶界的铜纳米电极，所述铜纳米电极包括导电基底以及负载在其表面的铜纳米催化剂颗粒，所述铜纳米催化剂颗粒表面有大量的孪晶界的存在，构成所述孪晶界的晶面为Cu(111)和Cu(200)。

优选地，构成所述孪晶界的两个晶面的夹角为53°。

优选地，所述铜纳米电极的导电基底选自气体扩散层碳纸、疏水碳纸、亲水碳纸、碳布中的一种或者几种。

优选地，所述铜纳米催化剂颗粒，是由氢氧化铜和碱式铜盐的混合物通过施加还原电位进行电化学预还原而成，所述碱式铜盐化合物包括碱式硫酸铜、碱式硝酸铜、碱式碳酸铜、碱式氯化铜、碱式醋酸铜中的一种或者多种。

优选地，铜纳米催化剂的形貌为纳米颗粒连接的纳米带状。