CN111229253A - 一种具有电催化还原CO2为能源的纳米Cu-Au合金催化剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有电催化还原CO2为能源的纳米Cu‑Au合金催化剂的制备方法，能够将CO2还原为有价值的气相产物(如C2H4,C2H6)，改善Cu基合金催化剂的电催化还原CO2性能，提高了对C2H4的还原选择性能。本发明通过筛选不同种类和不同浓度的贵金属盐溶液处理形成合金材料，最终确定Cu与Au进行合金化，采用简单的化学液相还原法制备所需纳米Cu‑Au合金催化材料。探究Cu‑Au合金电催化剂形貌和组分对电催化还原CO2性能的影响，为电催化剂的合理设计提供了一定的借鉴意义，该过程，安全可靠，操作简单，成本低廉，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米Cu-Au合金催化材料的制备方法，并将所得Cu-Au合金催化材料应用于催化领域，尤其涉及电催化还原CO2领域。
背景技术
二氧化碳是温室气体的重要成分之一，过量CO2的产生被认为是造成一些不良环境变化的一个主要的因素。例如全球变暖，沙漠化，海洋酸化等。因此,减弱由CO2过量排放产生的影响，已经成为现代社会的紧迫问题。为了解决上述问题,大量研究集中在能源和环境相关的话题。一个吸引人的想法是以可再生资源作为能源输入，利用CO2和H2O等丰富的资源来生产碳基电燃料。但由于CO2是完全氧化的热力学稳定的分子，通过在水性电解液电解利用CO2面临着几个主要的技术挑战。将二氧化碳转换成电燃料的关键步骤是将CO2分子化学转化为还原碳物质，这是一个艰难的过程，因为CO2电还原过程的动力学性能很差。在过去的几十年中，二氧化碳还原已通过热化学、电化学和光电化学方法进行了深入研究。热化学转化CO2通过一个重整流程，它不仅需要较高的反应温度和压力，而且需要等量的氢作为还原剂，在实施大规模的应用上有很大的能量需求问题。而在光催化过程的案例中，已经报道的几个系统都是光催化活性还原CO2，其选择性太差或者生产效率太低，不够经济有效。相对的，CO2电化学还原就变得更具吸引力，因为相比其他方法，它有几个特色优势。例如，(1)整个反应都可以通过对电极电势和反应的温度的控制来调节；(2)在整个反应过程中，电解液里的电解质不参与反应，所以可以循环利用，只需要把反应消耗的水补充，反应就可以持续进行，化学药品的消耗很少；(3)可以利可再生的能源，(比如太阳能发电、风力、水利发电、地热发电以及潮汐发电)下产生的电力来为整个反应体系提供持续的动力，不会产生额外的CO2，这样就不会在消耗CO2的同时又产生新的CO2；(4)电化学还原反应体系很容易实现，工业化，大型化，实际化生产，因为其反应条件温和，很容易按比例放大实验，可以紧密模块化处理，这样可以在实际应用中根据当地的实际条件，选择合适的方案。将二氧化碳转换成电燃料的关键步骤是将CO2分子化学转化为还原碳物质，这是一个艰难的过程，因为CO2电还原过程的动力学性能很差。所以需要高效和强劲的电化学催化剂来促进这个动力学上缓慢的还原过程。因此,电化学还原CO2的性能本质上取决于电化学催化剂的属性。
在众多催化材料中，同一反应条件下，不同金属的电还原CO2产物分布差异很大，由于反应中间产物CO*在其表面吸附能力的差异使得CO*可以进行多种反应途径，进而生成不同的碳氢化合物产物，根据CO2的主要还原产物，单金属催化剂可进一步分为若干类，CO选择性的金属(例如，Au，银，锌)，甲酸选择性金属(如锡，铅)，和氢选择性金属(如Fe、Ni、Pt)。所有的单金属催化剂中，铜具有卓越的催化能力，可以生产多种二氧化碳还原产品，包括一氧化碳、甲酸盐、乙醇和乙烯。但是，Cu基催化剂仍存在许多问题，如:(1)高电过电位导致能量效率低；(2)电子传递动力学缓慢；(3)产物种类复杂，对特定产物的选择性较差，且难以分离；(4)催化剂的稳定性差，一般在几小时内即失活。因此，严重限制了Cu基催化剂的商业化应用。基于此，研究者从尺寸，形貌，组分，表面配体等方面对Cu基催化剂进行优化，以提高其催化性能。通过研究发现与单金属催化剂相比，合金催化剂设计更为灵活，合金化的过程中通过调控催化剂的组分和结构从而调控反应中间体在催化剂表面上的结合能，打破中间产物之间存在的线性关系，从而达到降低反应过电位，提高特定产物选择性的目的。
结合以上现状，本发明针对Cu基催化剂产物选择性低，催化稳定性能差等不足，旨在通过优化Cu基催化剂的组成和结构，提高其电催化还原CO2的性能。
发明内容
本发明的目的在于利用简单的化学液相还原法制备Cu-Au合金催化剂，通过多种结构表征和催化性能测试，探究Cu-Au合金催化剂组分对电催化还原CO2的性能的影响，为其电催化还原CO2的性能。本发明具体技术方案如下：
一种具有电催化还原CO2为能源的纳米Cu-Au合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将泡沫铜置于盐酸溶液中浸泡1-3h，然后将其浸入去离子水中进行清洁，置入烘箱中烘干；
(2)用超纯水配置浓度为2g/L-20g/L的氯金酸溶液；
(3)将步骤(1)得到的烘干的泡沫铜裁剪为1cm×2cm-5cm×10cm，放入上述步骤(2)的浓度溶液中浸泡10-30s取出并干燥处理；
(4)使用管式炉将步骤(3)中干燥后获得的材料在空气气氛下，以5℃/min的升温速率升温从室温升至300℃-500℃并维持煅烧4h来对材料进行处理，最终得到Cu-Au合金催化剂。
进一步优选：步骤(1)中的稀盐酸溶液的浓度为1mol/L,浸泡时间2h。
步骤(3)中的浸泡时间20s。
步骤(4)中的煅烧温度为400℃。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的Cu-Au合金催化剂制备方法简单，条件温和，易于操作。
(2)得到的Cu-Au合金催化剂通过调控催化剂的组分和结构从而调控反应中间体在催化剂表面上的结合能，打破中间产物之间存在的线性关系，与单金属泡沫铜催化剂相比，有效的提高了C2H4的选择性，提高了其电催化还原CO2的性能，为Cu基催化剂的合理设计提供了一定的借鉴意义。
附图说明
图1为采用简单的化学液相还原法制备所需的纳米Cu-Au合金催化剂流程图；
图2为单金属Cu以及实施案例1.2.3.4所对应的Cu-Au合金系列催化剂的XRD谱图(Cu-1-Au,Cu-2-Au，Cu-3-Au,Cu-4-Au分别对应2g|1L,4g|1L,10g|1L,20g|1L浓度的氯金酸浓度处理)；
图3为实施案例1.2.3.4所对应的Cu-Au合金系列催化剂SEM谱图:a)Cu-1-Au,b)Cu-2-Au,c)Cu-3-Au,d)Cu-4-Au；
图4为实施例1中所合成的Cu-Au催化剂的TEM谱图；
图5为实施例1中所合成的Cu-Au催化剂的EDS谱图；
图6为实施案例1和4所对应的Cu-Au合金系列催化剂的气相产物法拉第效率图a)Cu-2-Au,b)Cu-4-Au；。
具体实施方式
下面结合具体实施例和对比例对本发明进一步进行说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：取90ml浓盐酸(12mol/L)加入1000ml超纯水定容，配置成1mol/L的稀盐酸溶液备用。然后取50ml配置好的稀盐酸溶液加入100ml的烧杯中，将商业泡沫铜置于稀盐酸中浸泡2h，然后将其浸入去离子水中进行清洁，置人烘箱中60℃下烘干。取1gHAuCl4·4H2O加入250ml超纯水配置浓度4g|1L浓度的氯金酸溶液。将上述得到的烘干的泡沫铜裁剪为1cm×2cm，分放入氯金酸溶液中浸泡20s取出并干燥处理。然后使用管式炉将干燥后获得的材料在空气气氛下，以5℃/min的升温速率升温从室温升至400℃并维持煅烧4h来对材料进行处理，最终得到Cu-Au合金催化剂。用多晶X射线衍射仪(XRD)检测该催化剂，结果表明产物中含有大量的CuO,Cu2O(见图2)；用扫描电子显微镜(SEM)表征产物的形貌，结果表明可以观察到有纳米铜线生成；用透射电子显微镜(TEM)表征产物的形貌以及EDS分析，结果表明材料上有Au的存在。用气相色谱仪对气相产物分析测试，结果表明，和原始单金属泡沫铜相比，C2H4的选择性有明显的提升。
实施例2：
其余不变，改变配置的氯金酸浓度为2g|1L。
实施例3：
其余不变，改变配置的氯金酸浓度为10g|1L。
实施例4：
其余不变，改变配置的氯金酸浓度为20g|1L。
Claims (4)
1.一种具有电催化还原CO2为能源的纳米Cu-Au合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将泡沫铜置于盐酸溶液中浸泡1-3h，然后将其浸入去离子水中进行清洁，置入烘箱中烘干；
(2)用超纯水配置浓度为2g/L-20g/L的氯金酸溶液；
(3)将步骤(1)得到的烘干的泡沫铜裁剪为1cm×2cm-5cm×10cm，放入上述步骤(2)的浓度溶液中浸泡10-30s取出并干燥处理；
(4)使用管式炉将步骤(3)中干燥后获得的材料在空气气氛下，以5℃/min的升温速率升温从室温升至300℃-500℃并维持煅烧4h来对材料进行处理，最终得到Cu-Au合金催化剂。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中的盐酸溶液的浓度为1mol/L,浸泡时间2h。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)中的浸泡时间20s。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)中的煅烧温度为400℃。
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