[发明专利]一种富含氧空位的CuO纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种富含氧空位的CuO纳米片及其制备方法和应用，属于电催化材料制备技术领域；本发明中，通过对CuO纳米片改性获得具有大量氧空位的CuO纳米片，得到的富含氧空位的CuO纳米片利于氮气吸附，提高了催化性能，在电催化N₂还原领域有着很好的应用。

技术领域

本发明属于电催化材料制备技术领域，具体涉及一种富含氧空位的CuO纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

电催化N₂还原反应（NRR）近年来已成为NH₃合成的一种潜在替代策略，尽管该方法能够降低能耗、避免碳排放。但是，反应过程中需要采用贵金属催化剂，成本较高，难以大规模使用。并且，由于N≡N三键的活化和断裂困难、氮的溶解度低、存在析氢竞争反应，电催化合成氨的效率和选择性都很低。

近年来，二维纳米材料由于其比表面积大、光电性能优良等优点而受到广泛关注。CuO纳米片作为二维材料，是Cu系半导体材料中较为稳定的材料，其具有良好的催化性能、可调带隙、高载流子浓度、理论容量大、高温耐久性和环保性等优点。但是目前的CuO对于氮气的吸附性能不够强，氮气还原合成氨效率不高，难以应用于电催化N₂还原反应。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种富含氧空位的CuO纳米片及其制备方法和应用。本发明中，通过对CuO纳米片改性获得具有大量氧空位的CuO纳米片，得到的富含氧空位的CuO纳米片利于氮气吸附，提高了催化性能，在电催化N₂还原领域有着很好的应用。

本发明中首先提供了一种富含氧空位的CuO纳米片，所述CuO纳米片为2D片状结构，且边缘部分存在大量的锯齿结构；所述CuO纳米片长度为400-600nm，厚度15-25 nm。

本发明还提供了上述富含氧空位的CuO纳米片的制备方法，包括：

将NaOH溶液滴入CuSO₄·5H₂O溶液中搅拌均匀，然后加入聚乙烯吡咯烷酮PVP在惰性气体保护下超声、过滤、洗涤、离心干燥，得到CuO纳米片；

将CuO纳米片在Ar氛围下煅烧得到富含氧空位的CuO纳米片。

所述NaOH溶液、CuSO₄·5H₂O溶液、PVP的用量体积比为40~60:40~60:5~10；其中NaOH溶液的浓度为1mol/L，CuSO₄·5H₂O溶液的浓度为0.1mol/L，PVP浓度为50g/L。

进一步的，所述超声条件为：超声功率为100-300W，超声时间为1~3小时。

进一步的，所述煅烧的条件为：升温速率为1~3℃/min，加热温度为200℃～350℃，煅烧时间为2~4小时。

本发明还提供了所述富含氧空位的CuO纳米片在电催化还原N₂中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明制备了一种富含氧空位的CuO纳米片，所述CuO纳米片为2D片状结构，且边缘部分存在大量的锯齿结构，其长度为400-600nm,厚度15-25 nm。这种结构可以产生更多的反应位点，有利于氮气的吸附，提高催化性能。

本发明制备的CuO纳米片含有较多的氧空位，氧空位所捕获的电子可以注入到N₂的反键轨道使其易吸附在催化剂材料上，从而削弱了N≡N三键，降低反应能垒，促进氮气吸附，减少析氢反应，从而提升电催化固氮性能，其催化合成氨产率约为42mg.h^-1.mg_cat^-1，较CuO纳米片和其他铜系材料有着很大的提升，经过几次循环测试和长时间测试，其合成氨产率和其对应电位电流密度几乎不变，说明了催化剂具有良好的稳定性。