CN112941556A - 一种铜基固体材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种铜基固体材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种铜基固体材料及其制备方法和用途,所述铜基固体材料的表面包括具有带状结构的氧化铜;所述带状结构的宽度为0.5~2μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为50~200nm;所述制备方法包括:将铜基固体原料与碱溶液混合,在恒温条件下反应,得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料;所述表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料可以暴露更多的活性位点,应用于CO2电催化还原时能够获得较大的电化学活性面积,并且在还原电位的促使下,容易发生表面重构,提升催化效果;本发明所述制备方法原料易得,成本低,制备条件温和,工艺流程简单,产率高,重复性好,有利于工业化应用。

Description

一种铜基固体材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于催化剂制备技术领域,具体涉及一种铜基固体材料及其制备方法和用途,尤其涉及一种铜基固体材料、其制备方法以及在CO2电催化还原领域的用途。
背景技术
将二氧化碳催化转化为高附加值的化学品和燃料,既可以解决化石能源的枯竭,又能缓解碳排放,具有重要的现实意义。另一方面,由于多碳产物(例如乙烯、乙醇、乙酸和正丙醇等)在化工和能源领域的广泛应用,其合成受到了广泛的关注。传统的热催化二氧化碳在高温和高压条件下可以实现较高的多碳产物收率,但多碳产物种类多、分布广,并伴随有大量甲烷的生成,存在安全隐患。而电催化可以实现温和条件下的二氧化碳还原,获得更高的多碳产物选择性。
CO2分子在具有丰富晶界的过渡金属表面更容易被活化,但在相应的单晶表面却不易被活化。目前,铜是最有效的电还原二氧化碳制多碳产物的催化剂,然而,铜基固体材料本身易被氧化,其表面容易形成不规则氧化物结构,使得它在对表面敏感的应用上受到制约。同时,铜基固体材料相对于其他过渡金属或者贵金属材料而言,表面可控修饰的难度更高,因此,开发出高活性、高选择性、高稳定性和表面可控的铜基催化剂具有十分重要的意义。
CN111298812A公开了一种二氧化碳电化学还原催化剂及其制备方法,该催化剂为硒化铜空心微球;其制备方法运用牺牲模板法,将铜的前驱液附着在聚苯乙烯微球表面,随后置于马弗炉中煅烧除去聚苯乙烯得到空心氧化铜微球,随后将其硒化得到硒化铜空心微球材料。该制备方法工艺流程复杂,成本较高,不利于工业化应用。
CN111229261A公开了一种电还原二氧化碳和一氧化碳制多碳产物的催化剂及其制备方法和应用,该催化剂为卤素修饰的铜电催化剂,卤素包括氟、氯、溴和碘中的至少一种;该催化剂的制备方法包括:将卤化铜前驱体负载在气体扩散层上,电还原即得到卤素修饰的铜电催化剂;卤化铜前驱体包括氢氧化氟铜前驱体和除氢氧化氟铜前驱体外的其他卤化铜前驱体中的至少一种;该制备方法工艺流程同样较为复杂,且卤化铜前驱体的制备需在较高温压下进行,成本较高,存在一定的安全隐患。
综上所述,如何提供一种高活性、高选择性以及高稳定性,同时制备方法简单,制备条件温和的铜基催化剂,成为当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种铜基固体材料及其制备方法和用途,所述铜基固体材料通过对表面进行修饰,改变了其表面结构,使其在CO2电催化还原制正丙醇上展现了较好的催化效果;所述制备方法工艺流程简单,制备条件温和,成本低,具有较好的工业应用前景。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种铜基固体材料,所述铜基固体材料的表面包括具有带状结构的氧化铜;
所述带状结构的宽度为0.5~2μm,例如0.5μm、1μm、1.5μm或2μm等;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为50~200nm,例如50nm、100nm、150nm或200nm等,上述数值的选择并不仅限于所列举的数值,在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,铜基固体材料的表面包括具有带状结构的氧化铜,可以暴露更多的活性位点,应用于CO2电催化还原时能够获得较大的电化学活性面积,并且在还原电位的促使下,容易发生表面重构,提升催化效果,具有较好的工业化应用前景。
第二方面,本发明提供了一种如上述的铜基固体材料的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
将铜基固体原料与碱溶液混合,在恒温条件下反应,得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料。
本发明中,所述制备方法通过将铜基固体原料与碱溶液混合发生弱氧化反应,对铜基固体原料的表面进行修饰,得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料;所述制备方法原料易得,成本低,制备条件温和,工艺流程简单,产率高,重复性好,有利于工业化应用。
本发明中,恒温条件下反应的目的在于使带状结构氧化铜的生长速率稳定,若温度波动过大,会导致带状结构氧化铜生长不均一。
以下作为本发明优选的技术方案,但不作为本发明提供的技术方案的限制,通过以下技术方案,可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案,所述铜基固体原料包括铜箔或镀有铜膜的固态基材。
作为本发明优选的技术方案,所述铜基固体原料与碱溶液混合前先进行预处理。
优选地,所述预处理依次包括超声清洗、交替冲洗和一次干燥。
优选地,所述超声清洗的时间为0.15~2h,例如0.15h、0.3h、0.5h、0.8h、1h、1.5h或2h等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地,所述超声清洗采用酸溶液进行。
优选地,所述酸溶液包括盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸中的任意一种或至少两种的组合,所述组合典型但非限制性实例有:盐酸和硫酸的组合,硫酸和磷酸的组合,硫酸和高氯酸的组合等。
优选地,所述酸溶液的氢离子浓度为0.5~2mmol/L,例如0.5mmol/L、0.7mmol/L、0.9mmol/L、1.3mmol/L、1.5mmol/L或2mmol/L等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,采用酸溶液进行超声清洗可除去铜基固体材料表面的氧化物,避免影响后续操作。
优选地,所述交替冲洗采用有机溶剂和蒸馏水进行。
优选地,所述有机溶剂包括丙酮、乙醇或甲醇中的任意一种。
优选地,所述交替冲洗的交替次数至少为3次,例如3次、4次、5次、6次、7次或8次等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,采用有机溶剂与蒸馏水交替冲洗以保证除去表面残留的有机杂质和超声清洗残留的酸溶液。
本发明中,先采用有机溶剂冲洗,再采用蒸馏水冲洗为1次。
优选地,所述一次干燥在保护性气氛下进行。
优选地,所述保护性气氛包括氩气和/或氮气。
本发明中,在保护性气氛下进行干燥避免铜表面再次被氧化。因此,干燥后的铜基固体材料需迅速与碱溶液混合并密封,否则会影响后续具有带状结构氧化铜的生成。
作为本发明优选的技术方案,所述碱溶液包括氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液。
优选地,所述碱溶液的浓度为0.5~10mmol/L,例如0.5mmol/L、1mmol/L、2mmol/L、3mmol/L、4mmol/L、5mmol/L、6mmol/L、7mmol/L、8mmol/L、9mmol/L或10mmol/L等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,碱溶液的浓度需进行控制。若浓度过低,会导致材料不具备生长带状氧化铜的条件;若浓度过高,则会会导致材料快速生长以至于无法形成带状结构。
作为本发明优选的技术方案,所述反应在恒温箱中进行。
作为本发明优选的技术方案,所述反应的温度为60~80℃,例如60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,反应温度需进行控制。若反应温度过高,会导致材料生长过快而导致带状结构无法形成;若反应温度过低,则会导致材料生长时间过长,降低效率。
优选地,所述反应的时间为8~24h,例如8h、10h、12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h等,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中,反应时间对具有带状结构氧化铜的形成至关重要。若反应时间过短,具有带状结构氧化铜无法形成;若反应时间过长,则会导致带状结构被破坏。
作为本发明优选的技术方案,所述制备方法还包括对所述表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料依次进行冲洗和二次干燥。
优选地,所述冲洗采用蒸馏水进行。
优选地,所述二次干燥在保护性气氛下进行。
优选地,所述保护性气氛包括氩气和/或氮气。
作为本发明优选的技术方案,所述制备方法包括以下步骤:
采用氢离子浓度为0.5~2mmol/L的酸溶液对铜基固体原料进行超声清洗0.15~1h,然后采用有机溶剂和蒸馏水交替冲洗不少于3次,并在保护性气氛下干燥;将干燥后的铜基固体原料与浓度为1~10mmol/L的碱溶液混合后密封,置于恒温箱中,在60~80℃的恒温条件下反应8~24h,得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料,最后采用蒸馏水对所述表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料进行冲洗,并在保护性气氛下干燥。
第三方面,本发明提供了如上述的铜基固体材料的用途,所述铜基固体材料用于CO2电催化还原。
优选地,所述CO2电催化还原的产物包括甲酸盐、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙醇和正丙醇。
本发明中,所述铜基固体材料用于CO2电催化还原领域,对CO2电催化还原制正丙醇展现出较好的催化效果,同时应用过程中反应条件温和,安全,具有较好的经济效益。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明所述铜基固体材料的表面包括具有带状结构的氧化铜,可以暴露更多的活性位点,应用于CO2电催化还原时能够获得较大的电化学活性面积,并且在还原电位的促使下,容易发生表面重构,提升催化效果;
(2)本发明所述制备方法通过将铜基固体原料与碱溶液混合发生弱氧化反应,对铜基固体原料的表面进行修饰,即可得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料,原料易得,成本低,制备条件温和,工艺流程简单,产率高,重复性好,有利于工业化应用;
(3)本发明所述铜基固体材料对CO2电催化还原制正丙醇展现出较好的催化效果,同时应用过程中反应条件温和,安全,具有较好的经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例1所述铜基固体材料的表面形貌特征结构图。
图2是本发明实施例1所述铜基固体材料的表面X射线衍射花样图。
图3是本发明实施例1所述铜基固体材料的表面带状结构的高角环形暗场扫描电子显微图。
具体实施方式
为更好地说明本发明,便于理解本发明的技术方案,下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子,并不代表或限制本发明的权利保护范围,本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种铜基固体材料及其制备方法,所述铜基固体材料的表面包括具有带状结构的氧化铜;
所述带状结构的宽度为0.5~2μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为50~200nm。
所述制备方法包括以下步骤:
将铜基固体原料与碱溶液混合,在恒温条件下反应,得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料。
以下为本发明典型但非限制性实施例:
实施例1:
本实施例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体原料为纯度为99.99%的铜箔,所述铜箔的表面包括具有带状结构的氧化铜,所述带状结构的宽度为0.5μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为50nm。
上述铜基固体材料的制备方法包括以下步骤:
采用2mmol/L的盐酸对铜箔进行超声清洗2h,然后采用丙酮和蒸馏水交替冲洗3次,并在氩气气氛下干燥;将干燥后的铜箔与1mmol/L的氢氧化钠溶液混合后密封,置于恒温箱中,在60℃的恒温条件下反应24h,得到表面具有带状结构氧化铜的铜箔,最后采用蒸馏水对所述表面具有带状结构氧化铜的铜箔进行冲洗,并在氩气气氛下干燥。
分别采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及高分辨透射电镜对得到的表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料进行表征,其表面形貌特征结构图如图1所示,表面X射线衍射花样图如图2所示,表面高分辨透射电镜图如图3所示。
由图1可知,经处理后的铜箔表面形貌发生改变,其表面形成了结构均一的带状微纳结构。
由图2可知,经工艺处理后的铜箔表面形成的薄层物质的物相主体是氧化铜。为了避免铜基底的信号影响观察,将X射线衍射花样进行局部放大可以观察到,2θ角度在35.2°和28.4°附近分别出峰,对应于CuO的(002)和(111)晶面。同时,45°附近出现了两个伴随峰,对应于Cu与CuO形成的异质结构交界处Cu8O(220)和Cu64O(430)的信号。
由图3可知,表面带状结构的微区高角环形暗场扫描电子显微图揭示了该带状结构的晶相为CuO,与图2一致。
实施例2:
本实施例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体原料为纯度为99.9%的铜箔,所述铜箔的表面包括具有带状结构的氧化铜,所述带状结构的宽度为2μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为200nm。
上述铜基固体材料的制备方法包括以下步骤:
采用0.5mmol/L的盐酸对铜箔进行超声清洗0.15h,然后采用丙酮和蒸馏水交替冲洗4次,并在氩气气氛下干燥;将干燥后的铜箔与10mmol/L的氢氧化钠溶液混合后密封,置于恒温箱中,在80℃的恒温条件下反应20h,得到表面具有带状结构氧化铜的铜箔,最后采用蒸馏水对所述表面具有带状结构氧化铜的铜箔进行冲洗,并在氩气气氛下干燥。
实施例3:
本实施例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体原料为镀有5μm铜膜的碳纸,简称为铜膜碳纸,所述铜膜碳纸表面包括具有带状结构的氧化铜,所述带状结构的宽度为1μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为100nm。
上述铜基固体材料的制备方法包括以下步骤:
采用1mmol/L的盐酸对铜膜碳纸进行超声清洗1h,然后采用丙酮和蒸馏水交替冲洗5次,并在氮气气氛下干燥;将干燥后的铜膜碳纸与5mmol/L的氢氧化钠溶液混合后密封,置于恒温箱中,在70℃的恒温条件下反应12h,得到表面具有带状结构氧化铜的铜膜碳纸,最后采用蒸馏水对所述表面具有带状结构氧化铜的铜膜碳纸进行冲洗,并在氮气气氛下干燥。
实施例4:
本实施例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体原料为纯度为99.99%的铜箔,所述铜箔的表面包括具有带状结构的氧化铜,所述带状结构的宽度为0.8μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为150nm。
上述铜基固体材料的制备方法包括以下步骤:
采用0.8mmol/L的盐酸对铜箔进行超声清洗1.5h,然后采用丙酮和蒸馏水交替冲洗5次,并在氮气气氛下干燥;将干燥后的铜箔与浓度均为5mmol/L的氢氧化钠溶液和氢氧化钾溶液混合后密封,置于恒温箱中,在70℃的恒温条件下反应12h,得到表面具有带状结构氧化铜的铜箔,最后采用蒸馏水对所述表面具有带状结构氧化铜的铜箔进行冲洗,并在氮气气氛下干燥。
实施例5:
本实施例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体材料的原料为纯度为99.99%的铜箔,所述铜箔的表面包括具有带状结构的氧化铜,所述带状结构的宽度为1.5μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为120nm。
上述铜基固体材料的制备方法包括以下步骤:
采用1.7mmol/L的盐酸对铜箔进行超声清洗0.5h,然后采用丙酮和蒸馏水交替冲洗3次,并在氩气气氛下干燥;将干燥后的铜箔与2mmol/L的氢氧化钾溶液混合后密封,置于恒温箱中,在65℃的恒温条件下反应8h,得到表面具有带状结构氧化铜的铜箔,最后采用蒸馏水对所述表面具有带状结构氧化铜的铜箔进行冲洗,并在氮气气氛下干燥。
对比例1:
本对比例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体原料与实施例2中的相同,所述制备方法参照实施例2中的制备方法,区别仅在于:将干燥后的铜箔与15mmol/L的氢氧化钠溶液混合后密封。
本对比例制备得到的铜基固体材料的表面无法形成具有带状结构的氧化铜。
对比例2:
本对比例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体原料与实施例5中的相同,所述制备方法参照实施例5中的制备方法,区别仅在于:在60℃的恒温条件下反应5h。
本对比例制备得到的铜基固体材料的表面呈现颗粒状,这是由于反应时间过短,导致材料还处于成核阶段,没有形成具有带状结构的氧化铜。
对比例3:
本对比例提供了一种铜基固体材料及其制备方法,采用的铜基固体原料与实施例1中的相同,所述制备方法参照实施例1中的制备方法,区别仅在于:在65℃的恒温条件下反应28h。
本对比例由于反应时间过长,导致制备得到的铜基固体材料的表面形成了无规则的堆叠状结构。
对实施例1-5和对比例1-3得到的铜基固体材料进行CO2电催化还原性能测试,所述性能测试包括以下步骤:
在可密封的两腔室电解池中,用Nafion隔膜将阴阳两极室隔开,以0.1mmol/LKHCO3溶液为电解液,Pt网为阳极,Ag/AgCl(3mol/L KCl)电极为参比电极,本发明制备得到的铜基固体材料为阴极。CO2以50mL/min的流速通入阴极中,对阴极施加-0.74~-1.14V(vsRHE)-1.4~-2.0V的电位反应2h。反应过程中采用在线气相色谱检测阴极室气体,定量气相产物,反应后用核磁检测阴极室电解液,定量液相产物。最后,通过计算分别得到甲酸盐、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙醇和正丙醇的法拉第效率,其结果如表1所示。
表1采用实施例1-5和对比例1-3得到的铜基固体材料进行CO2电催化还原性能测试得到的各产物的法拉第效率
Figure BDA0002919949220000121
由表1可知,实施例1-5制备得到的表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料应用于CO2电催化还原制正丙醇,展现出了较好的催化效果,正丙醇的法拉第效率均达15.4%以上,最高可达17.9%。而对比例1中正丙醇的法拉第效率较低,这是由于制备过程中,没有对碱溶液的浓度进行控制。碱溶液浓度过高,导致材料快速生长以至于无法形成带状结构;对比例2-3中正丙醇的法拉第效率均较低是由反应时间导致的,反应时间过短,铜基固体材料的表面没有形成具有带状结构氧化铜,其活性位点较少,催化效果较差;而反应时间过长,铜基固体材料的表面的带状结构被破坏,使催化效果变差,完全不能生成正丙醇。
综合上述实施例和对比例可以看出,本发明所述铜基固体材料的表面包括具有带状结构的氧化铜,可以暴露更多的活性位点,应用于CO2电催化还原时能够获得较大的电化学活性面积,并且在还原电位的促使下,容易发生表面重构,提升催化效果;所述制备方法通过将铜基固体原料与碱溶液混合发生弱氧化反应,对铜基固体原料的表面进行修饰,即可得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料,原料易得,成本低,制备条件温和,工艺流程简单,产率高,重复性好,有利于工业化应用。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的产品和详细方法,但本发明并不局限于上述产品和详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述产品和详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种铜基固体材料,其特征在于,所述铜基固体材料的表面包括具有带状结构的氧化铜;
所述带状结构的宽度为0.5~2μm;所述具有带状结构的氧化铜的厚度为50~200nm。
2.一种如权利要求1所述的铜基固体材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
将铜基固体原料与碱溶液混合,在恒温条件下反应,得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述铜基固体原料包括铜箔或镀有铜膜的固态基材。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法,其特征在于,所述铜基固体原料与碱溶液混合前先进行预处理;
优选地,所述预处理依次包括超声清洗、交替冲洗和一次干燥;
优选地,所述超声清洗的时间为0.15~2h;
优选地,所述超声清洗采用酸溶液进行;
优选地,所述酸溶液包括盐酸、硫酸、磷酸或高氯酸中的任意一种或至少两种的组合;
优选地,所述酸溶液的氢离子浓度为0.5~2mmol/L;
优选地,所述交替冲洗采用有机溶剂和蒸馏水进行;
优选地,所述有机溶剂包括丙酮、乙醇或甲醇中的任意一种;
优选地,所述交替冲洗的交替次数至少为3次;
优选地,所述一次干燥在保护性气氛下进行;
优选地,所述保护性气氛包括氩气和/或氮气。
5.根据权利要求2-4任一项所述的制备方法,其特征在于,所述碱溶液包括氢氧化钠溶液和/或氢氧化钾溶液;
优选地,所述碱溶液的浓度为0.5~10mmol/L。
6.根据权利要求2-5任一项所述的制备方法,其特征在于,所述反应在恒温箱中进行。
7.根据权利要求2-6任一项所述的制备方法,其特征在于,所述反应的温度为60~80℃;
优选地,所述反应的时间为8~24h。
8.根据权利要求2-7任一项所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法还包括对所述表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料依次进行冲洗和二次干燥;
优选地,所述冲洗采用蒸馏水进行;
优选地,所述二次干燥在保护性气氛下进行;
优选地,所述保护性气氛包括氩气和/或氮气。
9.根据权利要求2-8任一项所述的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
采用氢离子浓度为0.5~2mmol/L的酸溶液对铜基固体原料进行超声清洗0.15~2h,然后采用有机溶剂和蒸馏水交替冲洗不少于3次,并在保护性气氛下干燥;将干燥后的铜基固体原料与浓度为1~10mmol/L的碱溶液混合后密封,置于恒温箱中,在60~80℃的恒温条件下反应8~24h,得到表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料,最后采用蒸馏水对所述表面具有带状结构氧化铜的铜基固体材料进行冲洗,并在保护性气氛下干燥。
10.一种如权利要求1所述的铜基固体材料的用途,其特征在于,所述铜基固体材料用于CO2电催化还原;
优选地,所述CO2电催化还原的产物包括甲酸盐、一氧化碳、甲烷、乙烯、乙醇和正丙醇。
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