[发明专利]一种碳负载镍铜二元氮化物催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳负载镍铜二元氮化物催化剂及其制备方法和应用，所述碳负载镍铜二元氮化物催化剂包括碳载体和负载于碳载体上的镍铜二元氮化物纳米颗粒；所述碳负载镍铜二元氮化物催化剂中，镍铜二元氮化物纳米颗粒的负载量为11.37～40.55wt％。所述制备方法包括如下步骤：将镍盐、铜盐、碳载体和水混合搅拌，得到混合溶液；所述混合溶液经处理得到前驱体；所述前驱体进行升温反应得到产物，所述产物降至室温得到碳负载镍铜二元氮化物催化剂。本发明还公开了所述碳负载镍铜二元氮化物催化剂在电催化还原二氧化碳为合成气中的应用。本发明的碳负载镍铜二元氮化物催化剂具有较高的二氧化碳还原能力，给二氧化碳还原提供了新途径。

技术领域

本发明涉及电催化技术领域。更具体地，涉及一种碳负载镍铜二元氮化物催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

合成气(主要成分是一氧化碳和氢气)是合成低碳醇、甲酸、乙酸等主要化学品以及合成燃料的一种重要的工业原料。甲烷和煤等化石资源是制备合成气的主要来源。通过新能源将二氧化碳-水还原为燃料和化工生产所需的合成气，使得二氧化碳成为一种潜在的可再生碳源，是缓解当前环境问题和能源问题的一种新途径。

不同下游产品对合成气中一氧化碳与氢气的比例要求不同。例如，甲醇合成需要一氧化碳与氢气的比例是1:2；加氢醛化的反应需要合成气中一氧化碳与氢气的比例是1:1。而当前调控两者比例是通过昂贵的(逆向)水气交换过程。通过应用电解技术在水溶液中获得成分可调控的合成气，因省去中间存储或调整成分的需求，因而有利于控制下游产品的成本。

金属催化剂在非水体系中电催化还原二氧化碳制备一氧化碳的研究较多，而水相中相关研究相对较少。除金和银外，绝大多数金属在水相中产氢。镍在水相中催化反应产物主要是氢气。铜在水相中的催化反应产物众多，缺乏优势产物。

因此，需要提供一种可在水相中同时催化二氧化碳还原为一氧化碳、水/质子还原为氢气两个反应的碳负载镍铜二元氮化物催化剂及其制备方法和应用。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种碳负载镍铜二元氮化物催化剂，该催化剂可在水相中同时催化二氧化碳还原为一氧化碳、水/质子还原为氢气两个反应，突破了镍基催化剂的水相中产氢的限制。本催化剂具有催化性能高、电流密度大、选择性好、稳定性优异等特点，对工业化生产具有实际意义。

本发明的第二个目的在于提供一种碳负载镍铜二元氮化物催化剂的制备方法，该制备方法简单，使用的原料廉价，成本低，可以大规模制备和利用。

本发明的第三个目的在于提供一种碳负载镍铜二元氮化物的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种碳负载镍铜二元氮化物催化剂，包括碳载体和负载于碳载体表面的镍铜二元氮化物纳米颗粒；所述碳负载镍铜二元氮化物催化剂中，镍铜二元氮化物纳米颗粒的负载量为11.37～40.55wt％。本发明的碳负载镍铜二元氮化物催化剂，通过将铜原子将氮化镍(Ni₄N)中部分镍原子进行取代，形成了镍铜二元氮化物，通过调控镍铜元素的质量比，可以实现调控镍铜二元氮化物中铜原子取代镍原子的比例。这一系列的催化剂具有中具有较高的二氧化碳电催化还原能力，给二氧化碳还原提供了新途径。通过优化镍铜二元氮化物中铜原子取代镍原子的比例，可以实现调控电解产物中氢气与一氧化碳的比例，实现合成不同组分的合成气。

优选地，所述镍铜二元氮化物纳米颗粒的平均粒径为20～100nm。