[发明专利]一种具有疏水性的碳包覆铜微球及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种具有疏水性的碳包覆铜微球及其制备方法与应用，所述多层核壳结构复合微球Cu_xO@C颗粒尺寸在1微米左右，内部为具有核壳结构的金属铜/氧化亚铜复合物，外层包覆厚度为50纳米左右的碳层，其组装的电极与水的接触角为148.2°。本发明采用壳聚糖作为还原剂和碳源、聚乙烯吡咯烷酮作为形貌控制剂，通过水热法制备具有疏水性的多层核壳结构的复合微球Cu_xO@C。本发明的疏水性多层核壳结构复合微球可以用于电催化还原二氧化碳CO₂生成甲烷CH₄。

技术领域

本发明涉及一种具有疏水性的碳包覆铜微球，该复合微球采用水热法制备而成，该复合微球作为催化剂在电催化还原CO₂制备CH₄方面具有优异性能，在其他能源开发和环境保护领域也具备潜在的应用价值。

背景技术

在过去几十年中，化石燃料部分被清洁和可再生能源，如风能、潮汐能、太阳能等所代替，以减少CO₂排放量。尽管可再生能源的增长速度越来越快，但这些可再生能源在当今能源消费总量中所占的百分比仍然很低(5％)。此外，这些可再生资源大多是地理性、海洋性和间歇性的。因此，充分利用可再生能源往往涉及能源转换和储存技术。具体来说，能量转换和储存装置，如超级电容器和可充电电池(如锂离子电池)，可增加电力输出水平。然而，考虑到这些储能装置的低能量密度和高成本，它们很难大规模地集成到电网中。除了发展可再生能源和相关技术外，碳捕获和封存二氧化碳(CCS)也被用来防止CO₂被大量释放到空气中。但是，碳捕获与封存技术是一项能耗高、费用高的技术。此外，CCS面临的一个主要问题是储存的CO₂有泄漏的风险，这阻碍了大规模CCS部署的商业化。因此，CO₂的固定仍然是全世界人类面临的一个巨大挑战。

现在有一种很有前景的解决方案是利用可再生能源将大气中的CO₂还原为具有高能量密度的燃料或者化工原料，例如一氧化碳(CO)、CH₄、甲酸(HCO₂H)、甲醛(CH₂O)和甲醇(CH₃OH)等。这个方案不仅可以减少大气中CO₂的积累，直接起到缓解环境压力的作用，而且还可以生产燃料和有用的工业化学品，从而减轻现代工业和人类生活对传统化石资源的依赖，以此也可以减少传统化石燃料燃烧造成的有害气体排放造成的环境问题，这一点可以与CO₂还原给自然环境带来的直接意义起到正反馈的作用。

发明内容

本发明旨在提供一种具有疏水性的碳包覆铜微球、及其水热制备法及其应用。该催化剂制备方法简单，成本低，具有优异的电催化还原CO₂产CH₄的选择性和较高的电流密度。合成过程中不需要复杂的仪器、操作简单，有利于大规模的工业应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有疏水性的碳包覆铜微球，该复合微球颗粒尺寸在1微米左右，内部为具有核壳结构的金属铜/氧化亚铜复合物，外层包覆厚度为50纳米左右的碳层，其组装的电极与水的接触角为148.2°，具有接近超疏水性能。

本发明还提出一种具有疏水性的碳包覆铜微球的制备方法，是水热法，包括如下步骤：

(1)将0.2～0.6g三水合硝酸铜和0.3～0.9g聚乙烯吡咯烷酮分别溶解于5～30mL和10～60mL乙二醇中；随后在剧烈搅拌的条件下将硝酸铜溶液缓慢滴入聚乙烯吡咯烷酮溶液中，最后加入0.2～0.6g壳聚糖；将溶液转移到聚四氟乙烯内衬的钢套内，在烘箱中150～210℃条件下水热1～4个小时；