[发明专利]铜基复合纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种铜基复合纳米材料及其制备方法和应用，该铜基复合纳米材料包括卤素修饰的二维纳米铜氧化物和分散在二维铜氧化物上的铜纳米片，铜纳米片具有高能晶面。根据本申请实施例的铜基复合纳米材料，至少具有如下有益效果：本申请所提供的铜基复合纳米材料中卤素的修饰不仅有助于金属暴露晶面的改性，而且有助于在二维纳米铜氧化物上形成具有高能晶面的纳米片，从而使得最终形成的材料具有丰富活性位点，具有在低电位下产乙酸的高度选择性以及各电位下抑制产氢及提高二氧化碳还原的法拉第效率的效果。

技术领域

本申请涉及纳米催化剂技术领域，尤其是涉及铜基复合纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

二氧化碳还原(carbon dioxide reduction reaction,CO₂RR)指通过电、热或光催化将二氧化碳还原而制备低价态碳产物。电催化还原二氧化碳的反应通常在三电极的体系中进行，反应过程如下：CO₂吸附到催化剂表面，电子转移和质子化，产物从催化剂表面脱附。根据目前已有的报道，反应过程中使用的催化剂大致可以分为以下几类：金属基催化剂，进一步可以分为金属催化剂、金属氧(硫)化物催化剂、金属有机框架材料催化剂；碳材料催化剂以及其它一些复合催化剂。

二氧化碳在不同的金属基催化剂条件下有着不同的反应产物。一般而言，在Pb、Hg、Tl、In、Sn、Cd和Bi催化下主要生成甲酸，在Au、Ag、Zn、Pd和Ga催化下主要生成一氧化碳，而在Ni、Fe、Pt和Ti的催化下则主要生成氢气。与之相比，Cu是唯一一种可以生成烃类、醛类、醇类、酸类、一氧化碳等多样化的产物的催化剂。这也使得铜基催化剂在二氧化碳电催化还原中具有独特的地位。为使二氧化碳还原更具产业价值，一般利用铜基催化剂还原生成醇类、酸类等具有高附加值的产物。其中，乙酸是一种重要的工业原料，但目前通过电催化还原二氧化碳得到高选择性的乙酸产物仍然较为困难。因此，有必要提供一种具有高CO₂RR法拉第效率和高乙酸选择性的电催化还原二氧化碳的催化材料。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种铜基复合纳米材料，以该铜基复合纳米材料作为电催化还原二氧化碳的催化剂，表现出高CO₂RR法拉第效率和高乙酸选择性。

本申请的目的还在于提出该铜基复合纳米材料的制备方法。

本申请的目的还在于提出该铜基复合纳米材料的应用。

本申请的第一方面，提供铜基复合纳米材料，该铜基复合纳米材料包括卤素修饰的二维纳米铜氧化物和分散在二维铜氧化物上的铜纳米片，铜纳米片具有高能晶面。

根据本申请实施例的铜基复合纳米材料，至少具有如下有益效果：

本申请所提供的铜基复合纳米材料中卤素的修饰不仅有助于铜暴露晶面的改性，而且有助于在二维纳米铜氧化物上形成具有高指能晶面的纳米片，从而使得最终形成的材料具有丰富的活性位点，具有在低电位下产乙酸的高度选择性以及各电位下抑制产氢及提高二氧化碳还原的法拉第效率的效果。

其中，卤素包括氟、氯、溴。高能晶面是指铜的晶面指数(h k l)中h、k、l至少一个参数大于1。相比于低能晶面如(111)，高能晶面的铜具有更丰富的表面结构，使得铜基纳米材料展现出更优异的催化性能。

在本申请的一些实施方式中，卤素修饰的二维纳米铜氧化物为Cu_xOF，0x2。

在本申请的一些实施方式中，铜纳米片具有不止一种高能晶面。

在本申请的一些实施方式中，高能晶面包括(200)和(220)晶面。