[发明专利]一种氮掺杂的氧化亚铜电催化剂、制备方法、电极及应用

说明书

本发明提供了一种氮掺杂的氧化亚铜电催化剂、制备方法、电极及应用，制备方法为：将水溶性铜盐和尿素放在两个不同的瓷舟里，然后放置在高温炉中加热至300～400℃，升温速率设置为4～6℃·min^‑1并且保持在这个温度至少2小时，整个反应的过程通入流动的氩气，速率为1～3L·h^‑1，反应完成后冷却至室温，对反应的产物进行清洗，最后在真空干燥箱中50～70℃烘干，最终得到氮掺杂的氧化亚铜。本发明提供的氮掺杂的氧化亚铜电催化剂在选择性电化学还原CO₂为C2产物的过程中表现出优异的催化性能。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，特别涉及一种氮掺杂的氧化亚铜电催化剂、制备方法、电极及应用。

背景技术

利用电化学催化还原二氧化碳(CO₂)制备一些有价值的化学品，为实现碳循环社会和可再生电力的储存提供了一条潜在的途径，因此开发一款高活性、高选择性和高稳定性的电催化剂是发展这项技术的一种关键方式。

在众多的金属催化剂中，铜基催化剂由于与具有温和的CO结合能，在烯烃和含氧化合物的生产中具有广阔的应用前景。其中，氧化态的铜由于自身晶界、高局部pH值和残余氧等因素的影响在催化反应中更倾向于生成C2产物。其中氧化亚铜(Cu₂O)作为一个Cu(I)很好的载体，被广泛应用在催化还原CO₂中。但是，在CO₂还原反应中Cu(I)是非常不稳定的，Cu(I)在溶液中会发生不可逆的歧化反应(Cu₂O→Cu+CuO)，这个问题阻碍了Cu₂O在电催化中的应用。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了深入研究，提供了一种氮掺杂的氧化亚铜电催化剂及制备方法，从材料电子结构设计的角度探究，通过引入氮元素，来改善Cu(I)周围电子云密度，进而解决氧化亚铜在CO₂RR(CO₂还原反应)中价态和结构稳定性问题，从而完成本发明。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种氮掺杂的氧化亚铜电催化剂的制备方法，包括如下步骤：将水溶性铜盐和尿素放在两个不同的瓷舟里，然后放置在高温炉中加热至300～400℃，升温速率设置为4～6℃·min^-1并且保持在这个温度至少2小时，整个反应的过程通入流动的氩气，速率为1～3L·h^-1，反应完成后冷却至室温，对反应的产物进行清洗，最后在真空干燥箱中50～70℃烘干，最终得到氮掺杂的氧化亚铜。

第二方面，第一方面所述的制备方法制得的氮掺杂的氧化亚铜电催化剂。

第三方面，一种电极，表面负载有氮掺杂的氧化亚铜电催化剂。

第四方面，第一方面所述的氮掺杂的氧化亚铜电催化剂，或者第二方面所述的制备方法制得的氮掺杂的氧化亚铜电催化剂作为阴极催化材料在电催化还原二氧化碳为C2产物方面的应用。

第五方面，第三方面所述的电极作为阴极在电催化还原二氧化碳为C2产物方面的应用。

根据本发明提供的一种氮掺杂的氧化亚铜电催化剂、制备方法、电极及应用，具有以下有益效果：

本发明提供的一种氮掺杂的氧化亚铜电催化剂及其制备方法，材料电子结构设计的角度开展研究，通过引入氮元素，改善Cu(I)周围的电子云密度，进而解决氧化亚铜在CO₂RR中的价态和结构稳定性问题，同时N元素的掺杂可以有效改进催化剂的反应活性，对C2产物具有较高的反应选择性。

附图说明

图1为实施例1中氮掺杂的氧化亚铜的微观分析，图1(a)氮掺杂的氧化亚铜透射电镜图，(b)透射电镜图的局部放大图，(c)氮掺杂的氧化亚铜透射电镜图的晶格条纹间距，(d)选区电子衍射图谱。