[发明专利]一种铜基导电核壳结构催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提出了采用多步法合成铜基导电核壳结构催化剂，催化活性位点均匀分散在铜纳米线与表面生长的导电配位聚合物产生的界面上，解决现有技术中合成成本高、催化剂活性差、选择性低、过电势高等问题。通过先合成形貌均匀、尺寸均一的铜纳米线，再在铜纳米线表面生长出一薄层铜的导电配位聚合物，形成了具有高催化活性的界面效应。本发明提供的方法，原料价廉易得、条件温和，在能源转化与存储领域，新能源电动汽车，合成气及环保等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及催化剂材料技术领域，具体是涉及一种铜基导电核壳结构催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

从工业革命以来，随着工业化进程的推进，化石燃料不断被消耗并伴随着大量二氧化碳的排放，导致温室效应并造成环境不断恶化。目前，为了减缓温室效应，减少大气中CO₂的浓度，世界各国均在积极落实全球气候变化协定并开发新技术，在直接减少CO₂排放的同时提高化石燃料的燃烧技术，提升能源利用率，但技术的革新在短时间内难以实现。近些年来，CO₂的捕获和储存技术受到了研究者的广泛关注和重点研究。主要体现为两种方式：1)将CO₂直接捕获并海底封存；2)将CO₂通过化学方法转化为其他多碳产物，实现能源再利用。显然后者更具有可持续性发展的理念。

现阶段成熟的CO₂催化还原途径主要有三类，即光催化还原，热催化还原，电催化还原。光催化CO₂还原是基于植物对光合作用的模拟，在常温常压下，利用光的驱动，将CO₂催化还原为可再生碳氢化学品，主要产物为一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇等。但由于催化剂激活需要的能量高，电子和空穴容易复合等原因，反应活性和选择性低，难以实现大规模工业化。热催化CO₂还原是以一定比例的CO₂和H₂为反应气，在加热或加压的情况下，在反应炉中将CO₂转化为可再生碳氢燃料，主耍产物为甲烷、甲醇、乙醇等；目前已经达到了工业水平。而电催化CO₂还原是以清洁能源电能为驱动能源，在常温常压下于水溶液中进行反应。对比光催化CO₂和热催化CO₂反应，其反应条件简单且温和，能耗低，环境友好，是最为理想的CO₂化学转化途径。

在众多CO2电催化剂中，Cu是非常特殊的，它是唯一能够大量生成碳氢产物和醇类的催化剂。但是它又具有非常大的过电位和比较差的产物选择性，这就为它的实际应用带来了很大的障碍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种铜基导电核壳结构催化剂及其制备方法和应用。

为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

一种铜基导电核壳结构催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)合成直径为100～200nm的铜纳米线；

2)将铜纳米线分散在乙醇和水的混合溶液中，然后加入可与铜配位的含氮有机物配体分散均匀，搅拌状态下在空气中反应4～6h于铜纳米线表面生长含氮有机物层，将反应液离心，离心后产物清洗、干燥后真空保存；其中含氮有机物与铜纳米线的摩尔比为1：5～50。

可选的，所述含氮有机物配体是氨基苯类盐酸盐，包括苯四胺四盐酸盐、六氨基三苯六盐酸盐。

此外，其他可与铜配位的含氮有机物配体，例如N,N-二甲基乙二胺、4,4-联吡啶等也适用。

可选的，所述步骤1)中，铜纳米线的合成方法为：以浓度为6～8mol/L的氢氧化钠为反应溶液，加入浓度为0.05-0.15mol/L的铜盐、络合剂和还原剂，在70-90℃的油浴锅中反应0.5～2h，冷却后离心得到的铜纳米线清洗、干燥后真空保存。