[发明专利]铜基三维自支撑电催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及铜基三维自支撑电催化材料及其制备方法和应用。是于碳材料基底上通过电化学方法固载Cu/CuO催化剂纳米颗粒得到的铜基三维自支撑电催化材料。将碳材料基底置于铜线做的笼子中作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，碳棒作为对电极，在三电极体系中以0.1M KOH作为电解液，在‑0.2V下进行恒电压扫描2‑4h，将固载了Cu/CuO催化剂纳米颗粒的碳材料基底取出，水洗，干燥，获得铜基三维自支撑电催化材料。本发明得到了一种结构稳定、无需粘结剂和载体的电催化材料。制备方法简单、重复性好，避免使用大量含有铜盐的电解液，因此环保和易于大规模制备，在电催化二氧化碳还原等领域有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂材料领域，尤其涉及一种对二氧化碳还原具有催化性能的铜基三维自支撑电催化材料及其制备方法。

背景技术

二氧化碳(CO₂)是加快全球变暖的关键因素之一，减少CO₂的排放以及将CO₂转化为高附加值的清洁能源原料逐渐引起全球政府和科研工作者的重视。通过化学反应将CO₂还原为低碳有机物是最常用和最高效的方法，被广泛应用于CO₂的转化。近年来，电催化CO₂还原反应(CO₂reduction reaction：CRR)制备清洁能源原料的方法已引起了科研工作者的广泛关注。因此，开发高效的二氧化碳还原电催化剂，实现二氧化碳的资源化是目前热门的研究课题之一。研究发现铜基催化剂对于电催化二氧化碳还原反应有较高的催化活性，但铜基催化材料的制备过程往往需要使用大量的铜盐、所制备的铜基催化剂颗粒易团聚，且得到形貌和结构较好的催化剂往往需要较为苛刻的实验条件，重复性差，无法实现大规模制备，从而极大的限制了该材料的使用。开发一种方法简单、重复性好，避免使用大量含有铜盐的电解液且易于大规模生产的催化剂制备方法，将极大促进该材料在催化领域的实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的、操作简单的制备铜基三维自支撑电催化材料的新方法。

本发明采用的技术方案是：铜基三维自支撑电催化材料，是于碳材料基底上通过电化学方法固载Cu/CuO催化剂纳米颗粒得到的铜基三维自支撑电催化材料。

进一步的，所述碳材料基底是碳布、碳纸和石墨烯气凝胶。

一种铜基三维自支撑电催化材料的制备方法，方法如下：将碳材料基底置于铜线做的笼子中作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，碳棒作为对电极，在三电极体系中以0.1M KOH作为电解液，在-0.2V下进行恒电压扫描2-4h，将固载了Cu/CuO催化剂纳米颗粒的碳材料基底取出，水洗，干燥，获得铜基三维自支撑电催化材料。

进一步的，所述铜线做的笼子是采用直径为0.5-1.0mm的紫铜编织成的笼子。

进一步的，所述碳材料基底为石墨烯气凝胶GA，所获得铜基三维自支撑电催化材料为Cu/CuO@GA；所述石墨烯气凝胶GA的制备方法为：取氧化石墨烯GO水溶液，加入乙二胺和硼酸钠溶液，充分搅拌，超声10min，置于反应釜中120℃下反应14h，所得产物用乙醇溶液洗涤，-10℃冷冻后常温干燥，得石墨烯气凝胶GA。

进一步的，所述氧化石墨烯GO的制备方法为：冰水浴下，于浓硫酸中依次加入高纯石墨粉和硝酸钠，搅拌均匀，然后保持温度在20℃以下分批加入高锰酸钾，50-70min加完，待混合物颜色由紫色变成草绿色后，于40℃下反应0.5-1h，待混合物变成棕色糊状，停止加热，常温静置72h，所得产物缓慢注入75℃热水中，搅拌均匀后，逐滴加入30％的过氧化氢至混合液变为亮黄色，趁热离心，并用50℃蒸馏水离心洗涤，用5％的碳酸钠溶液中和多余的酸至中性，蒸馏水离心洗涤至上清液无硫酸根，60℃干燥得氧化石墨烯GO。

上述的铜基三维自支撑电催化材料在电催化二氧化碳还原中的应用。