[发明专利]一种用于CO2

说明书

本发明公开了一种用于CO₂电还原制乙醇的铜催化剂及其制备方法与应用，属于电催化领域；本发明所述的通过控制铜表面生长的垂直石墨烯实现催化剂表面阶梯状位点纵向深度和数量的可控调节，并能够将铜表面原有的低表面能Cu(100)、Cu(111)晶面重组为高表面能Cu(110)、Cu(210)、Cu(310)晶面，表现出高表面能所特有的原子排列特性；表面呈周期性阶梯状的铜催化剂具有较低的C‑C偶联势垒和较好的乙醇反应路径，可实现电催化CO₂还原制备乙醇燃料，并具有较高的选择性。

技术领域

本发明属于电化学与新能源材料领域，涉及一种铜催化剂及其制备方法和应用，尤其涉及一种含有可控高表面能阶梯状活性位点的铜催化剂及其制备方法和在CO₂电还原制乙醇中的应用。

背景技术

随着能源与环境问题的日益严重，将“有害”资源回收利用已成为人类当下较为紧迫的任务。CO₂作为温室效应的主要气体，将其转化为有价值的化学品，发展潜力巨大。目前科研人员已经提出了多种CO₂的转化利用方法，如催化加氢、电化学还原、生物转化等。其中电催化因为反应速率可控、产物选择性高、反应条件温和、易于模块化、可按需放大反应比例达到工业要求，成为具有发展前景的方法之一。在各种催化材料中，铜的独特之处在于它能将CO₂还原成有价值的多碳产物，如乙烯(C₂H₄)、乙醇(C₂H₅OH) 等，但铜基催化剂在获得具有高法拉第效率和高电流密度C₂产物的同时，还容易发生析氢反应(HER)使得产物法拉第效率降低。截止目前，大部分相关研究都集中在具有特定纵向深度的铜催化剂阶梯状活性位点上，对于研究关键中间体*CHO和*CO的耦合过于单一化，因此可控调节铜催化剂表面阶梯状位点的纵向深度和数量，对于进一步研究关键中间体*CHO和*CO的耦合以及对生成C₂产物的影响，意义重大。目前基于单晶的研究和模拟结果表明，具有低表面能阶梯状位点的Cu(100)、Cu(111)晶面不利于 C-C键耦合形成C₂产物，在低表面能阶梯状位点上并不具有最佳的转换吉布斯自由能，结合中间体或者吸附物的能量屏障较高，导致中间体*CO从催化剂表面脱附生成CO，导致乙醇选择性普遍较低。相反高表面能阶梯状位点处具有最佳的转换吉布斯自由能，在阶梯状位点处具有较低的配位数，结合中间体或者吸附物的能量屏障较低，有利于关键中间体*CHO和*CO的偶合进而形成C₂产物。因此，开发具有特殊原子排列的高表面能阶梯状位点、且阶梯状位点纵向深度和数量能够可控调节的铜基催化剂是现如今用于CO₂电还原制备乙醇的研究重点之一。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于CO₂电还原制乙醇的铜催化剂及其制备方法与应用。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明的首要目的在于提供一种含有可控高表面能阶梯状活性位点的铜催化剂。

一种用于CO₂电还原制乙醇的铜催化剂，该催化剂以金属铜为主体，以高表面能的阶梯状位点为活性位点，其中，高表面能阶梯状位点的纵向深度和数量能够可控调节，且纵向深度为0.1～20nm。

进一步的，所述的高表面能阶梯状活性位点为Cu(110)、Cu(210)、Cu(310)晶面。

进一步的，所述的金属铜为铜箔或泡沫铜中的一种。

本发明的另一目的在于提供上述可控高表面能阶梯状活性位点的铜催化剂的制备方法。

一种用于CO₂电还原制乙醇的铜催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对抛光后的铜进行酸洗，去除表面杂质和氧化层；