[发明专利]一种碳选择性的铁电修饰铜基电极和制备方法

说明书

本发明涉及电催化还原技术，属于电化学材料领域。一种碳选择性的铁电修饰铜基电极制备方法，首先将铜基板表面抛光后，进行纳米化处理，在纳米化的铜基板表面生长氧化锌种子层，最后在附有氧化锌种子层的铜基板表面生长钒掺杂氧化锌纳米片阵列，所获得的电极材料用于催化二氧化碳的电催化还原。该电极能够利用铁电材料中的电场加速铁电材料和铜基催化材料界面处电子的传输，从而提升催化剂在二氧化碳还原反应中的催化活性；且电极具有较高的电催化选择性，能够高效的还原体系中二氧化碳分子，所制备产物中氢含量占比较低，电还原二氧化碳的效率显著提升。

技术领域

本发明涉及高选择性的电催化材料，尤其涉及一种碳选择性的铁电修饰铜基电极和制备方法。

背景技术

电催化二氧化碳还原反应能够利用可再生的电能将二氧化碳转化为具有附加值的化学燃料和产品，是比较有潜力的能源存储与转化方式。电催化反应通常发生在电极与电解质溶液的界面处，涉及二氧化碳在催化剂表面的吸附，电子转移/质子迁移导致碳氧键的断裂和碳氢键的形成，以及形成最终产物在催化剂表面脱附。二氧化碳还原反应是一个多步的反应过程，涉及多个电子的转移过程，使得还原产物的种类多种多样。但目前电催化还原二氧化碳仍面临电子转移效率不高的问题，究其原因，一是电极电子转移势能高，基板到电催化表面之间电子转移势能高，电极电子在电还原反应中的反应效率不高；其次是反应体系中非碳粒子的竞争反应，尤其是氢离子电离能低，对碳还原具有很大的竞争优势，降低了二氧化碳的电还原效率。

详细来说，电子的转移是二氧化碳电催化还原反应的关键，但目前界面处电子转移速度依然存在问题，需要提高电子的转移速率促进产物的形成，但电势的提升又加剧非碳离子的还原，反而降低整个反应体系的效率。而且现有技术中，水溶液体系是电催化反应优选的低成本高效能绿色催化体系，难以更换反应体系。

因此，解决电极电子转移效率、降低非碳离子干扰还原反应,是确保电催化还原二氧化碳工艺的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳选择性的铁电修饰铜基电极，解决现在的电还原二氧化碳效率过低、非碳离子干扰还原的问题。

技术方案

一种制备碳选择性的铁电修饰铜基电极的方法，步骤包括：

I、将铜基板表面抛光后，进行纳米化处理；

II、在纳米化的铜基板表面生长氧化锌种子层；

III、在附有氧化锌种子层的铜基板表面生长钒掺杂氧化锌纳米片阵列。

进一步，步骤I中所述纳米化处理步骤包括：将抛光后的铜箔置于饱和的硫酸铜溶液中进行表面铜离子交换后，干燥后在铜基板表面获得氧化亚铜纳米颗粒。

进一步，所述表面铜离子交换的时间为1～4h；干燥的温度为70～100℃，干燥的时间为2～3h。

进一步，步骤II所述氧化锌种子层的制备方法选自电沉积法、匀胶法和磁控溅射法。

进一步，电沉积法制备种子层时，反应溶液为六水硝酸锌溶液，溶液浓度为0.1～1mol/L，沉积电位为-1～-2V，沉积时间为10～60min；匀胶法制备种子层时，溶液为醋酸锌的醇溶液，溶液浓度为0.3～0.5mol/L，匀胶速率为800～1500rpm，匀胶次数为10～20次；磁控溅射法制备种子层时，靶材为氧化锌，磁控溅射的沉积速率为1～2nm/min。

进一步，步骤III所述生长钒掺杂氧化锌纳米片阵列的步骤包括：将步骤II制备的含有氧化锌种子层的基板置于六水硝酸锌、六亚甲基四胺和五氧化二钒溶液中，水热反应生长钒掺杂氧化锌纳米片阵列。

进一步，所述水热温度为80～110℃，水热时间为2～5h。