[发明专利]CuS纳米点材料的制备方法及其在电催化二氧化碳还原中的应用

说明书

本发明属于新能源材料技术以及电化学催化技术领域，目的在于提高铜基催化剂在电催化二氧化碳还原中的活性和选择性。一方面涉及一种CuS纳米点材料的制备方法：(1)将氯化铜和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中，搅拌至澄清；(2)将硫化钠在搅拌的条件下溶解于步骤(1)的澄清溶液中；(3)将步骤(2)中的混合溶液反应，离心，干燥制得CuS纳米点。另方面还涉及CuS纳米点材料在电催化二氧化碳还原中的作为催化剂的应用。本发明以氯化铜、聚乙烯吡咯烷酮和硫化钠为原料，采用水热的方法制备CuS纳米点材料，操作简单，易于实施，且得到的CuS纳米点材料具有优异的二氧化碳还原催化活性和选择性，其作为电催化二氧化碳还原的催化剂对CH₄有较高的选择性。

技术领域

本发明属于新能源材料技术以及电化学催化技术领域，具体涉及一种CuS纳米点材料的制备方法及其在电催化二氧化碳还原中的应用。

背景技术

近几十年来，随着科学技术的进步与发展，化石燃料的过度开发和消耗，二氧化碳的超标排放导致全球气温持续升高，其引发的“温室效应”使全球各地气候不断恶化，因此二氧化碳问题亟待解决。同时，二氧化碳是丰富的C1资源，若能将其充分利用则可以缓解能源和环境方面的压力。电催化二氧化碳还原因其具备操作简单、环境友好等优点受到广泛关注。目前电催化二氧化碳还原的重点在于制备高催化活性、选择性和稳定性的电极材料。因此，寻找合适的电极催化剂材料成为了解决问题的出路。

目前，用于电催化二氧化碳还原的金属催化剂，根据还原产物的不同大致可以分为四类。第一类：铅、汞、铟、锡和镉等金属，反应过程中容易产生HCOO^－，还原的产物主要以甲酸和甲酸盐为主；第二类：金、银、锌、钯和镓等金属，这类催化剂的特点是对CO的稳定性较差，其产物主要为CO；第三类：镍、铁、铂和钛等金属，这类催化剂由于本身的析氢过电位较低，所以其主要产物为H₂；第四类：金属铜，其产物主要为碳氢化合物和醇类。迄今为止，铜是唯一的一种单金属催化剂，可以用电化学方法将二氧化碳还原成高价值和高能量密度的产品。

近年来，新型非铜基催化剂的发展，显示出将二氧化碳电催化还原成C2⁺产物的能力，但其产物收率较低，限制了这些催化剂的进一步应用。铜作为二氧化碳还原电催化剂的独特之处在于，它是唯一对CO*(一种重要的二氧化碳还原中间体)具有负吸附能，对H*(一种析氢反应中的中间体)具有正吸附能的金属。研究表明，多晶铜箔会产生超过16种不同的产物，这对它的选择性是一个巨大的挑战。因此，如何改变铜基催化剂的结构，以增加其电催化二氧化碳还原的活性和选择性，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提高铜基催化剂在电催化二氧化碳还原中的活性和选择性，提供一种CuS纳米点材料的制备方法及其在电催化二氧化碳还原中的应用。本发明提供的CuS纳米点材料具有较高的活性和选择性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种CuS纳米点材料的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将氯化铜和聚乙烯吡咯烷酮溶解在去离子水中，搅拌至澄清；

(2)将硫化钠在搅拌的条件下溶解于步骤(1)的澄清溶液中；

(3)将步骤(2)中的混合溶液反应，离心，干燥制得CuS纳米点。

进一步的，所述步骤(1)中氯化铜、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水的添加量比为(20-30)mg:(50-70)mg:(2-8)mL。

进一步的，步骤(1)中氯化铜、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水的添加量比为21mg:60mg:5mL。

进一步的，步骤(1)中聚乙烯吡咯烷酮的分子量为8000，24000，40000，90000中的一种。