[发明专利]铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用

说明书

本发明提供的铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用，属于金属纳米催化剂技术领域，制备方法：配置分散有氯化锑和柠檬酸的混合液A以及分散有二水合氯化铜的溶液B，共同与盐酸和去离子水混合得到混合液C，冰浴静置后倒入硼氢化钠水溶液静置反应，经多次离心、洗涤、干燥、研磨后，得到负载有不同浓度锑原子且各锑原子相互孤立的铜纳米颗粒。本发明通过在铜纳米颗粒上负载相互孤立的锑原子，调节铜原子的电子态，使其丧失碳碳偶联以生成多碳产物的能力，具有极高的二氧化碳转化为一氧化碳选择性和活性，为二氧化碳工业级高效转化提供了有效途径。

技术领域

本发明属于金属纳米催化剂技术领域，具体涉及铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用。

背景技术

近年来，化石燃料燃烧造成的二氧化碳大量排放导致大气中的二氧化碳浓度急剧上升，这引发了全球对气候变化的关注。为此国家提出到2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”的目标。电化学二氧化碳还原反应提供了一种可持续的方法，在常温常压条件下将二氧化碳直接转化为有价值的化学品，从而减少二氧化碳的排放，缓解对化石燃料的依赖。在从二氧化碳还原获得的产品中，一氧化碳是最重要的原料之一，可以用于商业化学品的可持续生产。为了经济地大规模进行这一反应，开发能够在高电流密度下以高选择性生成一氧化碳的有效催化剂是一个先决条件。目前，贵金属金和银是这一过程中最活跃的催化剂，在低至中度的生产率下具有近乎100％的一氧化碳选择性。但是在满足90％以上的一氧化碳法拉第效率的前提下，这些贵金属的一氧化碳偏电流密度通常低于200毫安每平方厘米。进一步增加阴极电压，将同时促进竞争性的析氢反应，从而抑制一氧化碳法拉第效率。其他更丰富、更便宜的金属通常对二氧化碳生成一氧化碳的选择性很差。最近，碳基单原子催化剂已被证明具有与贵金属催化剂相当的一氧化碳形成效率。然而，这些催化剂中的催化金属位点是孤立和明确的，由于在高电位下原子分散的金属位点周围的配体部分还原，因此也未能在商业级规模(一氧化碳偏电流密度至少达到200毫安每平方厘米)上驱动二氧化碳转化为一氧化碳。

铜对二氧化碳的活化具有很好的活性，并且价格低廉，但鉴于它会产生至少16种不同的碳氢化合物和碳氧化合物，因此控制铜的二氧化碳还原选择性是一个重大挑战。在二氧化碳还原过程中，二氧化碳分子首先在表面原子上进行吸附和活化。进一步地质子耦合电子转移，将吸附的二氧化碳转化为一氧化碳和甲酸的关键中间产物。铜催化剂与吸附的一氧化碳的适当结合能赋予了铜耦合一氧化碳生成其他多碳产物(如乙烯、乙醇、正丙醇)的能力。因此通过调整铜催化剂与一氧化碳的结合能使其抑制碳碳耦合，是实现商业级别的二氧化碳电解为一氧化碳的一种有效方式。

发明内容

针对上述现有技术中存在的二氧化碳还原产物选择性低、在大电流密度下易产生多碳产物的问题，本发明提供了铜锑单原子合金催化剂的制备方法和二氧化碳还原应用，可以在不降低内在活性的情况下抑制碳碳耦合，实现二氧化碳至一氧化碳的高选择性。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

铜锑单原子合金纳米催化剂，其特征在于，为负载有不同浓度锑原子的铜纳米颗粒，并且各锑原子相互孤立。

进一步地，所述锑原子的原子占比为1％～15％。

优选地，当所述锑原子的原子占比为3％～8％时，实现在200～500毫安每平方厘米电流密度下保持90％～95％的一氧化碳法拉第效率。

进一步地，所述铜纳米颗粒包括铜纳米球、铜纳米立方体、铜纳米棒、铜纳米片或铜纳米线等。

铜锑单原子合金纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将氯化锑分散在去离子水中，加入柠檬酸后得到混合液A；将二水合氯化铜分散在去离子水中，得到溶液B；

步骤2：将混合液A、溶液B、盐酸和去离子水混合，得到锑离子的摩尔浓度为0.01～0.2摩尔每升的混合液C；其中，锑离子与铜离子的摩尔比为1:(5～100)；