[发明专利]一种有机分子修饰的氧化铜材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种有机分子修饰的氧化铜材料及其制备方法与应用。本发明公开了一种有机分子修饰的氧化铜材料的制备方法，该制备方法通过电还原方法制得有机分子修饰的氧化铜材料，且该材料应用在电催化还原二氧化碳中，表面出对产物甲酸良好的选择性以及较低的过电位。由实验数据可知，本申请制得的有机分子修饰的氧化铜材料还原二氧化碳获得的甲酸的法拉第效率可达到71％。

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，尤其涉及一种有机分子修饰的氧化铜材料及其制备方法与应用。

背景技术

氢燃料电池具有燃料能量转化率高、噪音低以及零排放等优点，可广泛应用于汽车、飞机、列车等交通工具以及固定电站等方面。从燃料电池在载人航天、水下潜艇、分布式电站获得应用以来，燃料电池一直受到各国政府和企业的关注，在未来煤电占比相对较低的情况下，由于风能、太阳能等可再生能源技术规模的增大，整个上游的电源结构会越来越清洁。

因而如何安全简单地制备氢并存储氢就成了发展燃料电池研究的一个重要方向。另外除了氢燃料电池外甲酸燃料电池由于其具有高能量密度和安全性而受到广泛研究。因此如果可以利用可再生能源轻松制备出氢气和甲酸那么就可以解决燃料电池的产物供给问题。

此外由于化石能源的大规模使用导致地球上二氧化碳浓度在持续增加并使地球变暖。而地球变暖会导致许多的危害，如冰川融化，热浪侵袭，暴风雨，水灾旱灾等自然灾害变得十分频繁。因此，二氧化碳的减排及资源化利用是当今人类亟待解决的一大重要问题。近年来，已发展了碳捕集、碳封存等技术用于捕获和浓缩埋存大气中的二氧化碳，然而这些技术耗费资源巨大，并且技术进展缓慢，因此目前并非是最优的选择。而通过生物化学法，热化学法，光化学法，电化学法等将二氧化碳转化为具有经济效益的碳氢化合物，如甲烷，甲酸，乙烯和乙醇等高附加值产物，是目前相当有前景的方法。然而生物化学法和光化学法转化效率低，热化学法又需要高温、高压这样的苛刻反应条件，因而大规模使用也并不合适。鉴于我国在新能源领域的大力发展，可再生清洁能源(风能及太阳能)发电量较为可观，然而风能，太阳能等清洁能源因为具有很强的间歇性，随机性，波动性及反调峰性对电网冲击较大而很难并入电网，从而对这些电能造成很大的浪费。而如果将这些电能以温和的方法转化为化学能，则是对这一资源很好地利用。因此通过这些可再生电能将大气中的二氧化碳转化为甲酸等具有高能量密度的储氢材料，既能够减少二氧化碳的排放，又能避免资源浪费，同时还可作为甲酸燃料电池和氢燃料电池的反应物供给端，对于缓解能源与环境双重压力具有重要的现实意义。因此，提供了一种对甲酸选择性高的二氧化碳电化学催化剂是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种有机分子修饰的氧化铜材料及其制备方法与应用，该有机分子修饰的氧化铜材料对甲酸良好的选择性以及较低的过电位。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种有机分子修饰的氧化铜材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将二甲基甲酰胺的乙醇溶液与硝酸铜溶液混合后进行水热反应，干燥得到氧化铜；

步骤2：将氧化铜溶于水和乙醇溶液，然后滴加在气体扩散层上，得到负载有氧化铜的气体扩散层；

步骤3：将聚二烯丙基二甲基氯化铵的碳酸氢钾溶液加入电解池中，将所述负载有氧化铜的气体扩散层夹在电极上，作为工作电极，在三电极体系中进行电化学循环伏安电解，得到有机分子修饰的氧化铜材料。

本发明步骤1中，二甲基甲酰胺和乙醇的体积比为(0.5～1)：1，所述硝酸铜溶液的浓度为0.05mol/L～0.10mol/L；

所述水热反应的温度为120～140℃，时间为8～10h。

本发明步骤2中，所述气体扩散层优选为碳纸；

所述氧化铜的水和乙醇溶液的浓度为1～2mg/mL；