[发明专利]一种用于电催化还原二氧化碳的铜基纳米材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于电催化还原二氧化碳的铜基纳米材料及其制备方法，该铜基纳米材料通过一步电化学阳极氧化‑阴极沉积工艺制备获得，是在阳极氧化高纯金属铜得到铜离子，与溶液中OHsupgt;‑/supgt;离子形成[Cu(OH)subgt;4/subgt;]supgt;2‑/supgt;络合离子，迁移至阴极电沉积得到铜基纳米材料。本发明的方法简单易操作，所得产物结构新颖、尺寸均匀，用于电催化还原COsubgt;2/subgt;中可实现从甲烷(CHsubgt;4/subgt;)等Csubgt;1/subgt;产物到乙烯(Csubgt;2/subgt;Hsubgt;4/subgt;)等Csubgt;2+/subgt;产物的转换，且具有较高的选择性和稳定性。

技术领域

本发明涉及材料科学和电催化技术领域，具体涉及一种用于电催化还原CO₂的铜基纳米材料及其制备方法。

背景技术

随着三大化石能源的日益消耗和造成的环境污染问题凸显，人们对可再生能源的开发与使用越来越感兴趣。利用电能驱动可再生能源转化为高附加值的燃料和化工产品是最有可能和最现实的解决可再生能源利用的有效途径。另外，随着化石燃料燃烧释放大量的CO₂气体，造成全球变暖问题愈演愈烈。近年来，通过电化学转化CO₂为碳基燃料和化学品的研究受到了科研工作者的广泛关注。电催化还原CO₂过程是结合可再生电力和电催化工艺，经CO₂加氢反应得到多种碳氢化合物，其是一项很有前途的碳回收技术。

铜(Cu)是唯一能够实现CO₂电催化还原得到碳氢产物尤其是多碳产物的金属。但是，铜基催化剂用于电催化还原CO₂时，往往面临较高的过电位、低选择性等问题，其产物的种类也分布较广。其中：甲烷(CH₄)是天然气和煤气等燃料的主要成分，也可用于制造氢气、炭黑、一氧化碳、乙炔基甲醛等化学品的原料，广泛应用于民用和化工合成中。乙烯(C₂H₄)是一种重要的化学产品，是合成纤维、合成橡胶、合成塑料等基本化工原料，乙烯产品在国民经济中占有重要的地位。CH₄和C₂H₄产物之间的竞争反应导致很难得到较高选择性的单一产物。同时，由于CO₂还原中间体的加氢反应与铜电极析氢反应之间的竞争，导致CO₂转化为烃类产物的生成速率低、选择性差。因此，合理设计和制备铜基催化剂，实现高效电催化还原CO₂生产CH₄或C₂H₄等产物的研究十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电催化还原CO₂实现产物可控的铜基纳米材料及其制备方法，所要解决的技术问题是制备具有单一产物选择性的铜基纳米材料，进而实现高效、稳定的电催化还原CO₂。

本发明为了实现发明目的，采用如下技术方案：

一种用于电催化还原CO₂的铜基纳米材料，通过一步电化学阳极氧化-阴极沉积工艺制备获得，是在阳极氧化高纯金属铜得到铜离子，与溶液中OH^-离子形成[Cu(OH)₄]^2-络合离子，迁移至阴极电沉积得到铜基纳米材料。

本发明所述铜基纳米材料的制备方法为：

在两电极电解池体系中，以高纯金属铜为阳极、以碳纸为阴极、以氢氧化钾水溶液为电解液，在施加电压条件下反应0.5-1小时；待反应结束后立即将阴极取出，水洗、干燥，即在阴极上获得铜基纳米材料。

作为优选，施加电压的范围在1.5-2.2V。

作为优选，所述氢氧化钾水溶液的浓度为3-6mol/L。

作为优选，所述高纯金属铜为铜箔或泡沫铜网。