CN111659406B - 一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法 - Google Patents
一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111659406B CN111659406B CN202010443373.1A CN202010443373A CN111659406B CN 111659406 B CN111659406 B CN 111659406B CN 202010443373 A CN202010443373 A CN 202010443373A CN 111659406 B CN111659406 B CN 111659406B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy catalyst
- cusn alloy
- carbon dioxide
- dimensional self
- supporting porous
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 130
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 120
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 117
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 117
- 229910016347 CuSn Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 99
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 title claims abstract description 60
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 60
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 50
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 25
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 title claims abstract description 25
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 230000009467 reduction Effects 0.000 title claims description 19
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 229910000365 copper sulfate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L copper(II) sulfate Chemical compound [Cu+2].[O-][S+2]([O-])([O-])[O-] ARUVKPQLZAKDPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 23
- RCIVOBGSMSSVTR-UHFFFAOYSA-L stannous sulfate Chemical compound [SnH2+2].[O-]S([O-])(=O)=O RCIVOBGSMSSVTR-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims abstract description 23
- 229910000375 tin(II) sulfate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 13
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 10
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 41
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 30
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 20
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 18
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 15
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 15
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 14
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 5
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 description 5
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 5
- 229910000028 potassium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 5
- 235000015497 potassium bicarbonate Nutrition 0.000 description 5
- 239000011736 potassium bicarbonate Substances 0.000 description 5
- TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M potassium hydrogencarbonate Chemical compound [K+].OC([O-])=O TYJJADVDDVDEDZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 4
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910021607 Silver chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 3
- HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M silver monochloride Chemical compound [Cl-].[Ag+] HKZLPVFGJNLROG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000282414 Homo sapiens Species 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 2
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 230000007646 directional migration Effects 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 2
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 2
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000012271 agricultural production Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000010411 electrocatalyst Substances 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 239000012847 fine chemical Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000877 morphologic effect Effects 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/30—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their physical properties
- B01J35/33—Electric or magnetic properties
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
- B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
- B01J23/76—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36
- B01J23/835—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with metals, oxides or hydroxides provided for in groups B01J23/02 - B01J23/36 with germanium, tin or lead
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/34—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
- B01J37/348—Electrochemical processes, e.g. electrochemical deposition or anodisation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法,本发明涉及CuSn合金催化剂的制备方法。本发明要解决现有Cu基催化剂在电解过程中产物选择性差且电极过电位较大的问题。方法:一、配制硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液;二、电沉积;三、清洗、干燥。本发明用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备。
Description
技术领域
本发明涉及CuSn合金催化剂的制备方法。
背景技术
工业化及城镇化进程的不断加快对传统燃料的需求与日俱增,同时排放的CO2导致全球“温室效应”不断加剧,人类社会面临严峻的“能源短缺”和“环境污染”的双重问题。不断增加的CO2引起全球气候变暖,对农业生产、生态安全、能源安全等众多方面造成严重影响。目前针对CO2的处理方法主要分为两个方向:一是通过地质学吸收的方法进行CO2的捕获及封存;二是通过化学催化方式将CO2转化为高附加值的低碳燃料。然而,CO2捕集及封存存在过程复杂、运输成本高昂、缺乏市场和投资的支持等问题。而以CO2为储量丰富的碳资源通过高效合成方法将其转变为高附加值燃料或精细化学品显然具有更大的吸引力。通过开发高效的合成方法及构建合理的转化途径,可将丰富的CO2资源加以回收利用,促使其转化为新型、绿色的碳资源。它的意义不仅在于利用廉价而丰富的碳资源合成重要的化工产品,开辟新资源,实现碳的重复利用,而且可以控制CO2排放,加速碳减排的进程,缓解环境压力。然而,CO2是典型的直线型三原子分子,是自然界最稳定的物质之一。电化学催化是CO2活化的有效的方式之一,该方法操作简便、易于控制,可在常温常压下实现,通过改变电解条件即可有效获得甲酸、乙酸、甲醇、乙醇等能源类小分子产物,有望缓解人类对化石燃料的依赖。
在电催化还原二氧化碳所用催化剂中,相比于Au、Pd、Ag等贵金属催化剂,Cu基催化剂因其成本低廉、储量丰富、产物丰富等独特的催化特点受到广泛的关注。然而,该类催化剂在电解过程中产物选择性差(还原二氧化碳产甲酸法拉第效率通常低于60%),通常还原产物中伴随有H2、CO、甲烷、乙烯等多种产物,且电极过电位较大(通常高于500mV)。因此,开发一种高选择性、稳定性的Cu基电催化剂是电催化还原二氧化碳研究领域的重要研究目标。
发明内容
本发明要解决现有Cu基催化剂在电解过程中产物选择性差且电极过电位较大的问题,而提供一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法。
一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法,它是按照以下步骤进行的:
一、配制硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液:
将CuSO4及SnSO4加入到稀H2SO4溶液中搅拌溶解,得到硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中CuSO4浓度为0.05mol/L~0.5mol/L;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中SnSO4浓度为0.05mol/L~0.5mol/L;
二、电沉积:
将硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液置于电解池中,以Pt片为对电极,以Cu片为工作电极,在电流为2A/cm2~5A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积5s~40s,得到合金催化剂;
三、清洗、干燥:
利用去离子水清洗合金催化剂,然后置于真空干燥箱中干燥,得到三维自支撑多孔CuSn合金催化剂。
本发明的有益效果是:
1、本发明通过同时含有Cu、Sn离子的前驱液,在电场作用下两种阳离子同时发生定向迁移并在电极表面被还原,从而实现了Cu、Sn原子相互错综排列的合金结构。与现有工艺相比,本发明省略了表面活性剂等的使用,同时简化了常规两步法CuSn层叠状催化剂的制备工艺。Cu和Sn之间发生合金化,改变了金属周围的电子结构,进而提高产物选择性,同时增加了催化剂催化动力学,减小了电极过电位。同时电极多孔结构的良好保持使得该催化剂具有良好的稳定性。
2、本发明通过利用氢气泡模板法制备三维自支撑CuSn合金催化剂,有效的调节沉积条件控制合金形貌,得到三维多孔形貌,孔隙相互贯通,且孔壁由较大颗粒、颗粒-麦穗状或麦穗状结构构成,此微观结构直接影响其催化活性,当孔壁完全由麦穗状结构构成时可达到最优的电极性能。CuSn合金催化剂展现出优异的催化性能,通过形貌结构调节可实现产物的定向转化。
3、通过形貌调控获得具有高选择性、低过电位的催化剂,当孔壁完全由麦穗状结构构成时,该催化剂还原二氧化碳产甲酸过电位仅为380mV,在-1.7V电位下电解1小时,还原二氧化碳产甲酸法拉第效率达到97.8%。
4、本发明制备的CuSn合金催化剂具有制备方法简单、操作方便、易于批量化生产。
本发明用于一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法。
附图说明
图1为实施例一制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;
图2为实施例一制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;
图3为实施例一制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;
图4为实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;
图5为实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的的扫描电子显微镜图;
图6为实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的的扫描电子显微镜图;
图7为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;
图8为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;
图9为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;
图10为实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;
图11为实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;
图12为实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;
图13为对比实验制备的CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;
图14为对比实验制备的CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;
图15为对比实验制备的CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;
图16为施加-1.7V电位下合金催化剂还原二氧化碳产甲酸法拉第效率图,a为对比实验制备的CuSn合金催化剂,b为实施例一得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂,c为实施例二得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂,d为实施例三得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂,e为实施例四得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂;
图17为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在不同电位下还原二氧化碳产甲酸法拉第效率图;
图18为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的透射电镜图;
图19为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的Cu元素分布图;
图20为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的Sn元素分布图;
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式,还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一:本实施方式为一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法,它是按照以下步骤进行的:
一、配制硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液:
将CuSO4及SnSO4加入到稀H2SO4溶液中搅拌溶解,得到硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中CuSO4浓度为0.05mol/L~0.5mol/L;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中SnSO4浓度为0.05mol/L~0.5mol/L;
二、电沉积:
将硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液置于电解池中,以Pt片为对电极,以Cu片为工作电极,在电流为2A/cm2~5A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积5s~40s,得到合金催化剂;
三、清洗、干燥:
利用去离子水清洗合金催化剂,然后置于真空干燥箱中干燥,得到三维自支撑多孔CuSn合金催化剂。
本实施方式的有益效果是:
1、本实施方式通过同时含有Cu、Sn离子的前驱液,在电场作用下两种阳离子同时发生定向迁移并在电极表面被还原,从而实现了Cu、Sn原子相互错综排列的合金结构。与现有工艺相比,本实施方式省略了表面活性剂等的使用,同时简化了常规两步法CuSn层叠状催化剂的制备工艺。Cu和Sn之间发生合金化,改变了金属周围的电子结构,进而提高产物选择性,同时增加了催化剂催化动力学,减小了电极过电位。同时电极多孔结构的良好保持使得该催化剂具有良好的稳定性。
2、本实施方式通过利用氢气泡模板法制备三维自支撑CuSn合金催化剂,有效的调节沉积条件控制合金形貌,得到三维多孔形貌,孔隙相互贯通,且孔壁由较大颗粒、颗粒-麦穗状或麦穗状结构构成,此微观结构直接影响其催化活性,当孔壁完全由麦穗状结构构成时可达到最优的电极性能。CuSn合金催化剂展现出优异的催化性能,通过形貌结构调节可实现产物的定向转化。
3、通过形貌调控获得具有高选择性、低过电位的催化剂,当孔壁完全由麦穗状结构构成时,该催化剂还原二氧化碳产甲酸过电位仅为380mV,在-1.7V电位下电解1小时,还原二氧化碳产甲酸法拉第效率达到97.8%。
4、本实施方式制备的CuSn合金催化剂具有制备方法简单、操作方便、易于批量化生产。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:步骤一中所述的稀H2SO4溶液的浓度为0.5mol/L~5mol/L。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是:步骤三中所述的置于真空干燥箱中干燥具体为在温度为20℃~50℃的真空干燥箱下,干燥6h~20h。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:步骤二中所述的Pt片面积为0.5cm2~2cm2。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五:本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是:步骤二中所述的Cu片面积为0.25cm2~4cm2。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是:步骤一中所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中CuSO4浓度为0.2mol/L~0.5mol/L。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是:步骤一中所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中SnSO4浓度为0.15mol/L~0.5mol/L。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是:步骤二中在电流为4A/cm2~5A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积5s~40s。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是:步骤二中在电流为2A/cm2~5A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s~40s。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是:步骤二中在电流为4A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果:
实施例一:
一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法,它是按照以下步骤进行的:
一、配制硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液:
将CuSO4及SnSO4加入到稀H2SO4溶液中搅拌溶解,得到硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中CuSO4浓度为0.2mol/L;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中SnSO4浓度为0.15mol/L;
二、电沉积:
将100mL硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液置于电解池中,以Pt片为对电极,以Cu片为工作电极,在电流为2A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s,得到合金催化剂;
所述的Pt片的电极面积为1cm2;所述的Cu片的面积为1cm2;
三、清洗、干燥:
利用去离子水清洗合金催化剂,然后置于真空干燥箱中干燥,得到三维自支撑多孔CuSn合金催化剂。
步骤一中所述的稀H2SO4溶液的浓度为1.5mol/L;
步骤三中所述的置于真空干燥箱中干燥具体为在温度为30℃的真空干燥箱下,干燥12h。
以浓度为0.1mol/L的碳酸氢钾溶液作为电解质溶液,利用普林斯顿电化学工作站对实施例一制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂进行电化学性质测试,即测试在通氮气和通二氧化碳情况下实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的CV图,测试结果如图1所示;
图1为实施例一制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;通过两种条件下的对比,发现通二氧化碳气体对应的电流密度高于通氮气条件下所对应的电流密度,说明实施例一得到的CuSn合金催化剂对二氧化碳还原具有一定的还原作用。
图2为实施例一制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;图3为实施例一制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;由图可知,表层孔径范围5~30μm,孔壁由较大颗粒状结构构成。
实施例二:本实施例与实施例一不同的是:步骤二中在电流为3A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s。其它与实施例一相同。
以浓度为0.1mol/L的碳酸氢钾溶液作为电解质溶液,利用普林斯顿电化学工作站对实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂进行电化学性质测试,即测试在通氮气和通二氧化碳情况下实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的CV图,测试结果如图4所示;
图4为实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;通过两种条件下的对比,发现通二氧化碳气体对应的电流密度高于通氮气条件下所对应的电流密度,说明实施例二得到的CuSn合金催化剂对二氧化碳还原具有一定的还原作用。
图5为实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的的扫描电子显微镜图;图6为实施例二制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的的扫描电子显微镜图;由图可知,表层孔径范围15~40μm,孔壁由颗粒-麦穗状混合结构构成。
实施例三:本实施例与实施例一不同的是:步骤二中在电流为4A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s。其它与实施例一相同。
以浓度为0.1mol/L的碳酸氢钾溶液作为电解质溶液,利用普林斯顿电化学工作站对实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂进行电化学性质测试,即测试在通氮气和通二氧化碳情况下实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的CV图,测试结果如图7所示;
图7为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;通过两种条件下的对比,发现通二氧化碳气体对应的电流密度高于通氮气条件下所对应的电流密度,说明实施例四得到的CuSn合金催化剂对二氧化碳还原具有一定的还原作用。
图8为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;图9为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;由图可知,在不同镀层间的孔隙结构,这些孔隙相互贯通。在多孔电极的表层,孔径范围为25~50μm,且孔壁仅由麦穗状结构构成。
实施例四:本实施例与实施例一不同的是:步骤二中在电流为5A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s。其它与实施例一相同。
以浓度为0.1mol/L的碳酸氢钾溶液作为电解质溶液,利用普林斯顿电化学工作站对实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂进行电化学性质测试,即测试在通氮气和通二氧化碳情况下实施例五制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的CV图,测试结果如图10所示;
图10为实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;通过两种条件下的对比,发现通二氧化碳气体对应的电流密度高于通氮气条件下所对应的电流密度,说明实施例四得到的CuSn合金催化剂对二氧化碳还原具有一定的还原作用。
图11为实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;图12为实施例四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;由图可知,表层孔径范围80~150μm,孔壁由颗粒-麦穗状混合结构构成。
对比实验:本对比实验与实施例一不同的是:步骤二中在电流为1A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s。其它与实施例一相同。
以浓度为0.1mol/L的碳酸氢钾溶液作为电解质溶液,利用普林斯顿电化学工作站对对比实验制备的CuSn合金催化剂进行电化学性质测试,即测试在通氮气和通二氧化碳情况下对比实验制备的CuSn合金催化剂的CV图,测试结果如图13所示;
图13为对比实验制备的CuSn合金催化剂在通氮气和二氧化碳情况下测试得到的CV图,图中A为在氮气条件下得到的CV曲线,B为在二氧化碳条件下的CV曲线;通过两种条件下的对比,发现通二氧化碳气体对应的电流密度高于通氮气条件下所对应的电流密度,说明对比实验得到的CuSn合金催化剂对二氧化碳还原具有一定的还原作用。
图14为对比实验制备的CuSn合金催化剂放大500倍的扫描电子显微镜图;图15为对比实验制备的CuSn合金催化剂放大5000倍的扫描电子显微镜图;由图可知,无法形成明显的三维多孔结构,孔壁仅由较小颗粒状结构构成。
通过图1、4、7、10及13对比可知,在施加电位相同情况下,实施例三得到的CuSn合金催化剂的电流密度最高。
分别以实施例一至四制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂及对比实验制备的CuSn合金催化剂作为工作电极,铂片作为对电极,氯化银作为参比电极,在-1.7V电位下电解1小时,经产物分析并计算得到的二氧化碳还原产甲酸法拉第效率,如图16所示。
图16为施加-1.7V电位下合金催化剂还原二氧化碳产甲酸法拉第效率图,a为对比实验制备的CuSn合金催化剂,b为实施例一得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂,c为实施例二得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂,d为实施例三得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂,e为实施例四得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂;由图可知,实施例三得到的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂对二氧化碳还原产甲酸法拉第效率最高,到达97.8%,而其他实施例制备得到的催化剂法拉第效率分别是83.2%(实施例一)、89.4%(实施例二)、93.9(实施例四),因此实施例三对CO2还原产甲酸的选择性最好,催化活性最好,而对比实验制备的CuSn合金催化剂法拉第效率仅为69.8%,由此可证明孔壁的微观结构直接影响其催化活性,当孔壁完全由麦穗状结构构成时可达到最优的电极性能。
以实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂为工作电极,铂片作为对电极,氯化银作为参比电极,在不同电位下电解1小时经产物分析并计算得到的二氧化碳还原产甲酸法拉第效率,如图17所示。图17为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂在不同电位下还原二氧化碳产甲酸法拉第效率图。由图可知,实施例三得到的CuSn合金催化剂还原二氧化碳的产甲酸起始电位为-1.0V(Vs.AgCl/Ag),过电位仅为380mV。
图18为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的透射电镜图;图19为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的Cu元素分布图;图20为实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的Sn元素分布图;通过HR-TEM及EDX元素分析可知,实施例三制备的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂仅由Cu、Sn两种元素构成,且两种元素呈现错综分布。
Claims (1)
1.一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法,其特征在于它是按照以下步骤进行的:
一、配制硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液:
将CuSO4及SnSO4加入到稀H2SO4溶液中搅拌溶解,得到硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中CuSO4浓度为0.2mol/L;
所述的硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液中SnSO4浓度为0.15mol/L;
二、电沉积:
将100mL硫酸铜与硫酸亚锡共存的溶液置于电解池中,以Pt片为对电极,以Cu片为工作电极,在电流为4A/cm2及室温条件下,利用恒电流法在Cu片上沉积20s,得到合金催化剂;
所述的Pt片的电极面积为1cm2;所述的Cu片的面积为1cm2;
三、清洗、干燥:
利用去离子水清洗合金催化剂,然后置于真空干燥箱中干燥,得到三维自支撑多孔CuSn合金催化剂;
步骤一中所述的稀H2SO4溶液的浓度为1.5mol/L;
步骤三中所述的置于真空干燥箱中干燥具体为在温度为30℃的真空干燥箱下,干燥12h。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010443373.1A CN111659406B (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202010443373.1A CN111659406B (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN111659406A CN111659406A (zh) | 2020-09-15 |
CN111659406B true CN111659406B (zh) | 2023-02-03 |
Family
ID=72384272
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202010443373.1A Active CN111659406B (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN111659406B (zh) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2022172904A1 (zh) * | 2021-02-12 | 2022-08-18 | ||
CN113136597B (zh) * | 2021-03-11 | 2022-09-27 | 天津理工大学 | 一种铜锡复合材料及其制备方法和应用 |
CN113638001A (zh) * | 2021-08-31 | 2021-11-12 | 南京大学 | 一种用于生产甲酸和甲酸盐的金属催化剂制备方法 |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017057492A (ja) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | 株式会社東芝 | Co2還元触媒、co2還元電極、co2還元反応装置およびco2還元触媒の製造方法 |
CN108118360A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-06-05 | 东华大学 | 一种高效产甲酸Cu-Sn-Cu层叠状泡沫电极及其制备方法 |
CN109594100A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-04-09 | 东华大学 | 一种C3N4负载Cu/Sn合金材料及其制备和应用 |
CN110947392A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-04-03 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 | 二氧化碳电化学还原制备甲酸的催化剂及其制备方法 |
CN111074294A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-28 | 中国科学技术大学 | 一种铜合金材料电催化二氧化碳制备含碳化合物的方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6636885B2 (ja) * | 2016-09-12 | 2020-01-29 | 株式会社東芝 | 還元触媒および還元反応装置 |
-
2020
- 2020-05-22 CN CN202010443373.1A patent/CN111659406B/zh active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017057492A (ja) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | 株式会社東芝 | Co2還元触媒、co2還元電極、co2還元反応装置およびco2還元触媒の製造方法 |
CN108118360A (zh) * | 2017-12-26 | 2018-06-05 | 东华大学 | 一种高效产甲酸Cu-Sn-Cu层叠状泡沫电极及其制备方法 |
CN109594100A (zh) * | 2018-12-07 | 2019-04-09 | 东华大学 | 一种C3N4负载Cu/Sn合金材料及其制备和应用 |
CN110947392A (zh) * | 2019-11-20 | 2020-04-03 | 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 | 二氧化碳电化学还原制备甲酸的催化剂及其制备方法 |
CN111074294A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-28 | 中国科学技术大学 | 一种铜合金材料电催化二氧化碳制备含碳化合物的方法 |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
"Copper thin coating deposition on natural pollen particles";Lina Xu et cl.;《Applied Surface Science》;20011231;第58-61页 * |
"Cu−Sn Bimetallic Catalyst for Selective Aqueous Electroreduction of CO2 to CO";Saad Sarfraz等;《ACS Catal.》;20161231;第6卷;第2842-2851页 * |
"Design of Electrocatalyst for CO2 Reduction";Akihiro Katoh等;《J. Electrochem. Soc.》;19940831;第141卷(第8期);第2054-2058页 * |
"Effect of the surface roughness of copper substrate on three-dimensional tin electrode for electrochemical reduction of CO2 into HCOOH";Binhao Qin等;《Journal of CO2 Utilization》;20171231;第219-223页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN111659406A (zh) | 2020-09-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111659406B (zh) | 一种用于二氧化碳还原产甲酸的三维自支撑多孔CuSn合金催化剂的制备方法 | |
Perry et al. | Developments on carbon dioxide reduction: Their promise, achievements, and challenges | |
CN107597169A (zh) | 一种生物质基氮掺杂多孔碳多功能复合催化剂、制备方法及其应用 | |
CN111663152B (zh) | 一种泡沫镍负载无定型磷掺杂钼酸镍双功能电催化电极的制备方法及应用 | |
CN113136597B (zh) | 一种铜锡复合材料及其制备方法和应用 | |
CN110965076A (zh) | 一种双功能三维分层核壳结构电解水电极的制备方法 | |
CN111636074A (zh) | 一种二氧化碳电化学还原用铜电极的制备及其应用 | |
CN112501662A (zh) | 一种应用于高效二氧化碳还原反应生成甲烷的铜纳米片的制备方法 | |
CN112080759A (zh) | 一种用于电催化氧化尿素的铋掺杂双金属硫化物电极的制备方法 | |
CN111514904A (zh) | 一种用于二氧化碳电化学还原的催化剂及其制备方法 | |
CN113201752B (zh) | 一种异质结丰富的CoNiP-P纳米催化剂的制备方法及其应用 | |
Wang et al. | Development of copper foam-based composite catalysts for electrolysis of water and beyond | |
Liu et al. | Electrochemical CO2-to-CO conversion: A comprehensive review of recent developments and emerging trends | |
CN111939914B (zh) | 一种利用废弃铜箔制备高活性三元金属析氧催化剂的方法 | |
CN113955728B (zh) | 中空等级结构磷化钴/磷化钴锰的制备及其电解水的应用 | |
CN114438544B (zh) | 一种镍钴合金@镍钴氧化物固溶体核壳结构双功能电催化剂的制备方法 | |
CN115125548B (zh) | 一种具有纳米异质结的双功能电催化剂的制备方法 | |
Ipadeola et al. | Controlling the Synthesis Protocols of Palladium‐Based Nanostructures for Enhanced Electrocatalytic Oxidation of Carbon Monoxide: A Mini‐Review | |
CN114927705B (zh) | 一种氧析出反应的自支撑无泡悬浮电极的制备方法 | |
CN111774071B (zh) | 一种三元金属硫化物纳米片材料及其制备与电解水应用 | |
CN110860294B (zh) | 铜铅复合金属作为电极用于二氧化碳的电化学还原反应制备甲酸的方法 | |
Xi | Advances in electrocatalytic carbon dioxide reduction reactors, electrolytes and catalysts | |
CN118186399A (zh) | 一种基于仿生光合作用设计的钙锰氧化物电催化剂的制备方法及应用 | |
Razak et al. | Synthesis of Pt mesoflowers as electrocatalysts for water splitting | |
CN117894999A (zh) | 一种三维框架结构的多孔PdIrH合金纳米网络催化剂及其高通量制备方法与应用 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |