[发明专利]BC膜负载纳米铜催化剂电极及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种BC膜负载纳米铜催化剂电极及其制备方法与其在二氧化碳电化学还原电极中的应用。所述BC膜负载纳米铜催化剂包括由水溶液通过化学还原方法合成的纳米金属铜催化剂，其原料包括硫酸铜、硼氢化钠、氢氧化钠、乙醇及由葡萄糖为基底培养出的细菌纤维素膜。制备方法为：将硫酸铜溶于乙醇中，然后加入细菌纤维素膜，将其放入水浴恒温振荡器中充分振荡搅拌，混合均匀；在冰浴条件下，加入硼氢化钠与氢氧化钠的混合溶液；将混合物放入水浴恒温振荡器中振荡即可。本发明可以实现高负载催化剂，显著增大了对二氧化碳还原的电化学还原催化活性，提高了二氧化碳的利用率，有效抑制了析氢反应，增强了产物的选择性。

技术领域

本发明涉及一种BC膜负载铜纳米催化剂电极及其制备方法与应用应用属于二氧化碳电化学还原催化剂技术领域。

背景技术

随着几次工业革命的发生，人类对化石燃料的需求与利用越来越大，从而导致了全球范围内的资源短缺以及由二氧化碳引起的温室效应。研究表明，在近100年全球气温升高0.6℃，预计到21世纪中叶，全球气温将升高1.5——4.5℃，而由此引发一系列环境问题，如海平面上升、冰川融化等。因此如何找到一种既能减少二氧化碳的排放量，又能够有效的将二氧化碳资源化利用成为当今研究热点。将二氧化碳转化为增值化学品和燃料，已引起广泛关注[Appl.Catal.B:Environmental,232(2018)512–520]。其中利用电化学还原不仅可以实现温室气体的循环利用，同时与目前开发的转化方法(光化学，生物化学和热化学)相比，电化学二氧化碳减排是最理想的转化技术之一。所使用电可来源于可再生能源[Appl.Surf.Sci.362,394–398(2016)]。此外，电化学还原二氧化碳技术具有环保、装置简单，稳定的催化效率，易于工业化生产等优点。该方法可以将二氧化碳还原成为甲酸、甲烷、甲醇、乙烯等高附加值产品[Acs Catalysis.4(10):3682(2014)]。然而，由于二氧化碳的分子结构极其稳定，需要较高的能量打破其双键形成·CO₂-，从而与电解液中的氢离子在不同条件下生成甲烷、乙烯、甲酸等，同时伴随副产物H₂的产生，大大降低了CO₂的利用率和能量效率[Chinese Journal of Catalysis.39(7):1157-1166(2018)]。因此如何对电极材料及催化剂进行结构体系和组成的有效调控以及如何提高CO₂的还原效率和转化率成为CO₂转化的核心问题。

用于二氧化碳还原的催化剂的种类很多，包括环化合物、单一金属、复合金属及其金属化合物等三大类，而作为其中一种的金属类催化剂具有高效的还原特性。研究表明，铜作为一种低廉金属，不仅储量丰富，无毒环保，还能够有效的将二氧化碳还原成甲烷、乙烯等重要的化石燃料[Electrochimica Acata.39(1994):1833-1839]。据文献报道其产生乙烯的含量高达60％。但是铜的选择性差、反应过程中的电解电位过高[Journal ofCO₂Utilization.22(2017)191–196]。为了解决上述问题，本专利提出采用铜纳米颗粒原位负载在细菌纤维素膜上进行CO₂电化学还原，并通过对电极的制备条件、组成以及形貌的有效调控获得更多的CO₂催化还原活性位，从而提高催化剂的催化活性和选择性，同时通过改变细菌纤维素膜的种类来控制催化剂的形貌以及提高催化还原活性。细菌纤维素膜是由微生物合成的多孔性网状纳米级生物高分子材料，具有高持水性、高透气性、良好生物相容性、高机械强度、三维网络结构等独特性质。同时生产过程绿色环保并且能大量生产，被广泛应用于纺织、医用、食品以及导电材料等方面[Acc Chem Res,2015,49(1):96-105]。根据细菌纤维素膜的特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种性能优异的BC膜负载纳米铜催化剂电极的制备方法及其在二氧化碳催化还原中的应用。