CN114799197A - 铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用 - Google Patents

铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供的铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用，属于金属纳米催化剂技术领域，制备方法：配置分散有氯化锑和柠檬酸的混合液A以及分散有二水合氯化铜的溶液B，共同与盐酸和去离子水混合得到混合液C，冰浴静置后倒入硼氢化钠水溶液静置反应，经多次离心、洗涤、干燥、研磨后，得到负载有不同浓度锑原子且各锑原子相互孤立的铜纳米颗粒。本发明通过在铜纳米颗粒上负载相互孤立的锑原子，调节铜原子的电子态，使其丧失碳碳偶联以生成多碳产物的能力，具有极高的二氧化碳转化为一氧化碳选择性和活性，为二氧化碳工业级高效转化提供了有效途径。

Description

铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用
技术领域
本发明属于金属纳米催化剂技术领域，具体涉及铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用。
背景技术
近年来，化石燃料燃烧造成的二氧化碳大量排放导致大气中的二氧化碳浓度急剧上升，这引发了全球对气候变化的关注。为此国家提出到2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”的目标。电化学二氧化碳还原反应提供了一种可持续的方法，在常温常压条件下将二氧化碳直接转化为有价值的化学品，从而减少二氧化碳的排放，缓解对化石燃料的依赖。在从二氧化碳还原获得的产品中，一氧化碳是最重要的原料之一，可以用于商业化学品的可持续生产。为了经济地大规模进行这一反应，开发能够在高电流密度下以高选择性生成一氧化碳的有效催化剂是一个先决条件。目前，贵金属金和银是这一过程中最活跃的催化剂，在低至中度的生产率下具有近乎100％的一氧化碳选择性。但是在满足90％以上的一氧化碳法拉第效率的前提下，这些贵金属的一氧化碳偏电流密度通常低于200毫安每平方厘米。进一步增加阴极电压，将同时促进竞争性的析氢反应，从而抑制一氧化碳法拉第效率。其他更丰富、更便宜的金属通常对二氧化碳生成一氧化碳的选择性很差。最近，碳基单原子催化剂已被证明具有与贵金属催化剂相当的一氧化碳形成效率。然而，这些催化剂中的催化金属位点是孤立和明确的，由于在高电位下原子分散的金属位点周围的配体部分还原，因此也未能在商业级规模(一氧化碳偏电流密度至少达到200毫安每平方厘米)上驱动二氧化碳转化为一氧化碳。
铜对二氧化碳的活化具有很好的活性，并且价格低廉，但鉴于它会产生至少16种不同的碳氢化合物和碳氧化合物，因此控制铜的二氧化碳还原选择性是一个重大挑战。在二氧化碳还原过程中，二氧化碳分子首先在表面原子上进行吸附和活化。进一步地质子耦合电子转移，将吸附的二氧化碳转化为一氧化碳和甲酸的关键中间产物。铜催化剂与吸附的一氧化碳的适当结合能赋予了铜耦合一氧化碳生成其他多碳产物(如乙烯、乙醇、正丙醇)的能力。因此通过调整铜催化剂与一氧化碳的结合能使其抑制碳碳耦合，是实现商业级别的二氧化碳电解为一氧化碳的一种有效方式。
发明内容
针对上述现有技术中存在的二氧化碳还原产物选择性低、在大电流密度下易产生多碳产物的问题，本发明提供了铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用，可以在不降低内在活性的情况下抑制碳碳耦合，实现二氧化碳至一氧化碳的高选择性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
铜锑单原子合金纳米催化剂，其特征在于，为负载有不同浓度锑原子的铜纳米颗粒，并且各锑原子相互孤立。
进一步地，所述锑原子的原子占比为1％～15％。
优选地，当所述锑原子的原子占比为3％～8％时，实现在200～500毫安每平方厘米电流密度下保持90％～95％的一氧化碳法拉第效率。
进一步地，所述铜纳米颗粒包括铜纳米球、铜纳米立方体、铜纳米棒、铜纳米片或铜纳米线等。
铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将氯化锑分散在去离子水中，加入柠檬酸后得到混合液A；将二水合氯化铜分散在去离子水中，得到溶液B；
步骤2：将混合液A、溶液B、盐酸和去离子水混合，得到锑离子的摩尔浓度为0.01～0.2摩尔每升的混合液C；其中，锑离子与铜离子的摩尔比为1:(5～100)；
步骤3：在-10℃～-1℃下将混合液C冰浴静置30～200分钟，之后倒入硼氢化钠水溶液中，得到混合液D，在室温下静置反应后，多次离心超声收集，所得产物经洗涤、干燥、研磨后，得到铜锑单原子合金纳米催化剂。
进一步地，所述混合液A中氯化锑和柠檬酸的摩尔比为(0.25～1)：(0.75～3)。
进一步地，步骤2中采用的盐酸的摩尔浓度为0.2～5摩尔每升，加入盐酸后所得混合液C的pH值为0.5～2。
进一步地，所述混合液A中氯化锑的摩尔浓度为0.025～0.1摩尔每升。
进一步地，所述溶液B中氯化铜的摩尔浓度为0.5～2摩尔每升。
进一步地，步骤2中混合液A、溶液B、盐酸和去离子水的体积比为(1～5)(1～4)：(0.5～2)：(5～50)。
进一步地，步骤3中硼氢化钠水溶液的摩尔浓度为0.5～2摩尔每升，混合液D中混合液C与硼氢化钠水溶液的体积比为(1.5～12.2)：(1～4)。
进一步地，步骤3中混合液C倒入硼氢化钠水溶液的速度为1毫升每分钟～20毫升每秒，混合液D在室温下的静置时间为30～180分钟。
进一步地，步骤3采用去离子水或/和极性溶剂作为洗涤剂进行离心超声收集，具体为：先将静置反应后的混合液D进行离心分离，所得产物用洗涤剂进行超声洗涤，然后依次重复离心分离和超声洗涤过程2～4次；其中，离心分离的转速为8000～10000转每分钟，时间为8～10分钟；超声洗涤时间为1～10分钟；所述极性溶剂包括乙醇、异丙醇或丙酮等。
进一步地，步骤3中干燥的方式为真空干燥、冷冻干燥或烘箱干燥，干燥时间为12～24小时。
进一步地，步骤3在惰性气体环境下进行研磨，研磨时间为1～5分钟。
本发明还提供了上述技术方案任一所述铜锑单原子合金纳米催化剂或上述技术方案任一所述制备方法得到的铜锑单原子合金纳米催化剂在二氧化碳还原中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明制备了铜锑单原子合金纳米催化剂，通过在铜纳米颗粒上负载相互孤立的锑原子，调节铜原子的电子态，使其丧失碳碳偶联以生成多碳产物的能力，进而具有极高的二氧化碳转化为一氧化碳选择性和活性；同时，可通过调控锑铜的原子比，实现最理想的掺杂浓度，合成方法简单，易操作；
2、所述铜锑单原子合金纳米催化剂具有优异的电化学二氧化碳还原性能，应用于流动池中，在100毫安每平方厘米的电流密度下实现了95％的一氧化碳法拉第效率，在500毫安每平方厘米电流密度下保持90％以上的一氧化碳法拉第效率，为二氧化碳工业级高效转化提供了有效途径。
附图说明
图1为本发明实施例1所得铜锑单原子合金纳米催化剂中锑的扩展边X射线吸收精细结构；
图2为本发明实施例1所得铜锑单原子合金纳米催化剂的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像；
图3为本发明实施例1所得铜锑单原子合金纳米催化剂催化二氧化碳电还原反应中不同电流密度下各产物的法拉第效率结果；
图4为本发明实施例1所得铜锑单原子合金纳米催化剂催化二氧化碳电还原反应中在不同电位下的一氧化碳偏电流密度曲线；
图5为本发明实施例2所得铜锑单原子合金纳米催化剂中锑的扩展边X射线吸收精细结构；
图6为本发明实施例2所得铜锑单原子合金纳米催化剂的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像；
图7为本发明实施例2所得铜锑单原子合金纳米催化剂催化二氧化碳电还原反应中不同电流密度下各产物的法拉第效率结果。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对发明权利要求的限制。本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
实施例1
本实施例制备了一种铜锑单原子合金纳米催化剂，具体步骤如下：
将1毫摩尔氯化锑分散在20毫升去离子水中并加入3毫摩尔柠檬酸，得到混合液A；将20毫摩尔二水合氯化铜分散在20毫升去离子水中，得到溶液B；取3.2毫升混合液A、2毫升溶液B、1毫升浓度为3摩尔每升的盐酸和13.8毫升去离子水，混合得到20毫升混合液C；将混合液C在-5℃下冰浴静置60分钟，之后以10毫升每秒速度迅速倒入10毫升浓度为1摩尔每升的硼氢化钠水溶液中，得到混合液D；混合液D在室温下静置2小时后，以10000转每分钟的转速、离心分离10分钟，所得产物用去离子水和异丙醇进行超声洗涤5分钟，重复离心分离和超声洗涤过程3次，之后通过真空干燥过夜，在氩气环境下研磨3分钟，得到铜锑单原子合金纳米催化剂。
通过电感耦合等离子体原子发射光谱法测定本实例所得铜锑单原子合金纳米催化剂中锑原子占比为5％。
本实施例所得铜锑单原子合金纳米催化剂中锑元素的扩展边X射线吸收精细结构如图1所示，显示锑原子周围的配位结构，具有清晰可见的锑氧键和锑铜键的峰，没有出现锑锑键的峰，证明锑原子负载在铜颗粒上并保持相互独立。
本实施例所得铜锑单原子合金纳米催化剂的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像如图2所示，圆圈中的白点为锑原子，可看出各锑原子相互孤立。
采用流动池反应器对本实施例所得铜锑单原子合金纳米催化剂进行电化学二氧化碳还原催化性能测试，具体将铜锑单原子合金纳米催化剂以0.6平方厘米的几何表面积负载在碳气体扩散层，作为阴极；二氧化碳气体的流速控制在30毫升每分钟；阴极电解液为0.5摩尔每升浓度的碳酸氢钾，流速控制在0.7毫升每分钟；阳极电解液为1摩尔每升浓度的氢氧化钾；对电极选用泡沫镍。
本实施例采用恒电流方法进行测试，所得反应气相产物(一氧化碳和氢气)由气相色谱检测，液相产物(甲酸)由离子色谱检测，之后根据电化学工作站记录的总库伦量得到催化反应的选择性、活性等数据。
本实施例所测不同电流密度下各产物的法拉第效率如图3所示，可知在50～500毫安每平方厘米的电流密度下均具有至少90％以上的一氧化碳法拉第效率，具体在100毫安每平方厘米的电流密度下实现了95％的一氧化碳法拉第效率，并在500毫安每平方厘米电流密度下仍能保持90％以上的一氧化碳法拉第效率，表明本实施例制得的铜锑单原子合金纳米催化剂可实现商业级别的二氧化碳至一氧化碳的高效转化。
所测不同电位下一氧化碳偏电流密度如图4所示，可知随着电位更负，阴极一氧化碳偏电流密度不断增加，在-1.16伏特(相对于可逆氢电极)达到了452毫安每平方厘米，远高于之前报道的其他铜基材料。
实施例2
本实施例制备了一种铜锑单原子合金纳米催化剂，具体步骤如下：
将1毫摩尔氯化锑分散在20毫升去离子水中并加入3毫摩尔柠檬酸，得到混合液A；将20毫摩尔二水合氯化铜分散在20毫升去离子水中，得到溶液B；取1.2毫升混合液A、2毫升溶液B、1毫升浓度为3摩尔每升的盐酸和15.8毫升去离子水，混合得到20毫升混合液C；将混合液C在-5℃下冰浴静置60分钟，之后以10毫升每秒速度迅速倒入10毫升浓度为1摩尔每升的硼氢化钠水溶液中，得到混合液D；混合液D在室温下静置2小时后，以10000转每分钟的转速、离心分离10分钟，所得产物用去离子水和异丙醇进行超声洗涤5分钟，重复离心分离和超声洗涤过程3次，之后通过真空干燥过夜，在氩气环境下研磨3分钟，得到铜锑单原子合金纳米催化剂。
通过电感耦合等离子体原子发射光谱法测定本实例所得铜锑单原子合金纳米催化剂中锑原子占比为1.5％。
本实施例所得铜锑单原子合金纳米催化剂中锑元素的扩展边X射线吸收精细结构如图5所示，显示锑原子周围的配位结构，同样具有清晰可见的锑氧键和锑铜键的峰，没有出现锑锑键的峰，证明锑原子负载在铜颗粒上并保持相互独立。
本实施例所得铜锑单原子合金纳米催化剂的扫描透射电子显微镜高角环形暗场像如图6所示，与实施例1类似地，圆圈中的白点为锑原子，可看出各锑原子相互孤立。
采用流动池反应器对本实施例所得铜锑单原子合金纳米催化剂进行电化学二氧化碳还原催化性能测试，具体将铜锑单原子合金纳米催化剂以0.6平方厘米的几何表面积负载在碳气体扩散层，作为阴极；二氧化碳气体的流速控制在30毫升每分钟；阴极电解液为0.5摩尔每升浓度的碳酸氢钾，流速控制在0.7毫升每分钟；阳极电解液为1摩尔每升浓度的氢氧化钾；对电极选用泡沫镍。
本实施例采用恒电流方法进行测试，所得反应气相产物(一氧化碳和氢气)由气相色谱检测，液相产物(乙醇、乙酸和甲酸)由离子色谱检测，之后根据电化学工作站记录的总库伦量得到催化反应的选择性、活性等数据。
本实施例所测不同电流密度下各产物的法拉第效率如图7所示，可知在100毫安每平方厘米的电流密度下能够实现近90％的一氧化碳法拉第效率。
实施例3
本实施例制备了一种铜锑单原子合金纳米催化剂，具体步骤如下：
将1毫摩尔氯化锑分散在20毫升去离子水中并加入3毫摩尔柠檬酸，得到混合液A；将20毫摩尔二水合氯化铜分散在20毫升去离子水中，得到溶液B；取8毫升混合液A、2毫升溶液B、1毫升浓度为3摩尔每升的盐酸和9毫升去离子水，混合得到20毫升混合液C；将混合液C在-5℃下冰浴静置60分钟，之后以10毫升每秒速度迅速倒入10毫升浓度为1摩尔每升的硼氢化钠水溶液中，得到混合液D；混合液D在室温下静置2小时后，以10000转每分钟的转速、离心分离10分钟，所得产物用去离子水和异丙醇进行超声洗涤5分钟，重复离心分离和超声洗涤过程3次，之后通过真空干燥过夜，在氩气环境下研磨3分钟，得到铜锑单原子合金纳米催化剂。
通过电感耦合等离子体原子发射光谱法测定本实例所得铜锑单原子合金纳米催化剂中锑原子占比为15％。
实施例4
本实施例制备了一种铜锑单原子合金纳米催化剂，具体步骤如下：
将1毫摩尔氯化锑分散在20毫升去离子水中并加入3毫摩尔柠檬酸，得到混合液A；将20毫摩尔二水合氯化铜分散在20毫升去离子水中，得到溶液B；取1.2毫升混合液A、2毫升溶液B、1毫升浓度为3摩尔每升的盐酸和15.8毫升去离子水，混合得到20毫升混合液C；将混合液C在-5℃下冰浴静置200分钟，之后以10毫升每秒速度迅速倒入10毫升浓度为1摩尔每升的硼氢化钠水溶液中，得到混合液D；混合液D在室温下静置30分钟后，以10000转每分钟的转速、离心分离10分钟，所得产物用去离子水和异丙醇进行超声洗涤5分钟，重复离心分离和超声洗涤过程3次，之后通过真空干燥过夜，在氩气环境下研磨3分钟，得到铜锑单原子合金纳米催化剂。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，包括最佳方式，并且也使得本领域的任何技术人员都能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，和实施任何结合的方法。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。本发明专利保护的范围通过权利要求来限定，并可包括本领域技术人员能够想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有不是不同于权利要求文字表述的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的文字表述无实质差异的等同结构要素，那么这些其他实施例也应包含在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.铜锑单原子合金纳米催化剂，其特征在于，为负载有不同浓度锑原子的铜纳米颗粒，且各锑原子相互孤立。
2.根据权利要求1所述铜锑单原子合金纳米催化剂，其特征在于，所述锑原子的原子占比为1％～15％。
3.根据权利要求1所述铜锑单原子合金纳米催化剂，其特征在于，所述铜纳米颗粒包括铜纳米球、铜纳米立方体、铜纳米棒、铜纳米片或铜纳米线。
4.铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将氯化锑分散在去离子水中，加入柠檬酸后得到混合液A；将二水合氯化铜分散在去离子水中，得到溶液B；
步骤2：将混合液A、溶液B、盐酸和去离子水混合，得到锑离子的摩尔浓度为0.01～0.2摩尔每升的混合液C；其中，锑离子与铜离子的摩尔比为1:(5～100)；
步骤3：在-10℃～-1℃下将混合液C冰浴静置30～200分钟，倒入硼氢化钠水溶液中，得到混合液D，在室温下静置反应，经多次离心、洗涤、干燥、研磨后，得到铜锑单原子合金纳米催化剂。
5.根据权利要求4所述铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，所述混合液A中氯化锑和柠檬酸的摩尔比为(0.25～1)：(0.75～3)。
6.根据权利要求4所述铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，步骤2中采用的盐酸的摩尔浓度为0.2～5摩尔每升，加入盐酸后所得混合液C的pH值为0.5～2。
7.根据权利要求4所述铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，所述混合液A中氯化锑的摩尔浓度为0.025～0.1摩尔每升，溶液B中氯化铜的摩尔浓度为0.5～2摩尔每升；步骤2中混合液A、溶液B、盐酸和去离子水的体积比为(1～5)(1～4)：(0.5～2)：(5～50)。
8.根据权利要求4所述铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，步骤3中硼氢化钠水溶液的摩尔浓度为0.5～2摩尔每升，混合液D中混合液C与硼氢化钠水溶液的体积比为(1.5～12.2)：(1～4)。
9.根据权利要求4所述铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，步骤3中混合液C倒入硼氢化钠水溶液的速度为1毫升每分钟～20毫升每秒，混合液D在室温下静置时间为30～180分钟。
10.根据权利要求1～3任一所述铜锑单原子合金纳米催化剂或权利要求4～9任一所述方法得到的铜锑单原子合金纳米催化剂在二氧化碳还原中的应用。
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