[发明专利]一种调节二氧化碳电化学还原制备多碳产物的最佳电流密度用铜纳米颗粒催化剂及制备方法

说明书

本发明公开了一种调节二氧化碳电化学还原制备多碳产物的最佳电流密度用铜纳米颗粒催化剂及制备方法，涉及二氧化碳电化学还原技术领域。该方法包括步骤：S1、制备金种子胶体溶液；S2、将醋酸铜、聚乙烯吡咯烷酮按质量比5mg‑140mg：0.1g‑0.4g加入金种子胶体溶液，分散均匀，待溶液透明后，快速加入抗坏血酸溶液进行反应；S3、将S2的反应产物离心后在惰性气体保护下干燥，得到铜纳米颗粒催化剂。本发明的制备方法过程简单、成本低、重现性好；制得的铜纳米颗粒催化剂，直径为10～300nm，铜纳米颗粒表面存在氧化态铜，氧化态原子的数量可以通过表面配体的长度进行调控，不同氧化态数量的铜导致了二氧化碳电化学还原制备多碳产物的最佳电流密度的改变。

技术领域

本发明涉及二氧化碳电化学还原技术领域，尤其涉及一种调节二氧化碳电化学还原制备多碳产物的最佳电流密度用铜纳米颗粒催化剂及制备方法。

背景技术

目前，能源问题和环境问题正受到广泛关注，是制约和影响人类未来发展的两大问题。这两个问题的主要核心是如何在碳循环中高效利用和管理碳资源。传统化石燃料和化学燃料燃烧释放的大气中的CO₂被捕获，然后通过添加水通过电化学电解槽将其转化为高价值的化学品和燃料。得到的产品经过储存、运输、分配和利用，释放出主要的工业废物CO₂，之后，CO₂再次捕获到反应器中，形成整个碳循环。鉴于此，巧妙地保持碳排放和回收之间的平衡对于保持碳中和循环至关重要。然而，由于煤炭、石油、天然气等化石燃料的过度开采，CO₂排放量逐年飙升，对自然碳循环造成严重破坏。因此，寻找低成本、清洁、高效的方法来消除过量的CO₂，实现可持续的碳中和循环是非常紧迫的。

利用清洁能源产生的电能将CO₂电催化还原为有价值的化学原料或燃料，不仅能存储可再生能源，还能降低大气中二氧化碳的浓度从而缓解温室效应。电化学CO₂还原过程中的电流密度的大小直接影响到未来工业化成本，传统H型电解池研究的CO₂电化学还原的电流密度远远达不到工业化应用的需求，目前，急需实现大电流密度下的CO₂电化学还原。

近年来，Cu和基于Cu的纳米结构在各种催化领域，特别是CO₂电还原反应领域。众所周知，Cu电极的独特之处在于其是唯一能以合理速率产生多碳产品的单金属电催化剂。然而，由于Cu在空气中的高表面迁移率和低结合能导致了不可控的氧化，Cu催化反应的选择性并不令人满意。同时，这将给铜基电催化剂的本征结构研究带来很大的不确定性。铜纳米颗粒的表面原子价态可影响到CO₂电化学还原产物，更会影响到其最佳电流密度，但如何调控表面氧化态铜原子比例尚无相关报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是背景技术中提到的不足，提供一种调节二氧化碳电化学还原制备多碳产物的最佳电流密度用的催化剂，该催化剂可利用配体长度不同，对空气中氧气隔离效果的差异以调节二氧化碳电化学还原制备多碳产物(包括乙烯，乙醇，乙酸和正丙醇)的最佳电流密度。

为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种调节二氧化碳电化学还原制备多碳产物的最佳电流密度用铜纳米颗粒催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备金种子胶体溶液，将硼氢化钠加入到氯金酸水溶液中快速搅拌；

S2、将醋酸铜、聚乙烯吡咯烷酮按质量比5mg-140mg：0.1g-0.4g加入到含有10μL-5mL金种子的胶体溶液中，分散均匀，待溶液透明后，快速加入抗坏血酸溶液进行反应；

S3、将S2的反应产物离心后在惰性气体保护下干燥，得到铜纳米颗粒催化剂。

进一步的，所述步骤S1的制备方法具体如下：