[发明专利]一种铜基复合材料在电催化还原CO2

说明书

本发明提供一种铜基复合材料在电催化还原CO₂中的应用，所述铜基表面水热形成有刺状铜，能够显著提高电极材料的比表面积和活性位点，电极稳定好，获得的刺状铜不易剥离脱落；能够在在保证高乙烯转化率的同时提高其寿命，所述铜基合金在‑1.8V vs Ag/AgCl电解电压下，电化学转化法的法拉第效率＞60％，乙烯选择性≥40%。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种高寿铜基复合材料的制备方法，尤其适用于电催化还原二氧化碳制乙烯领域的应用。

技术背景

CO₂化学结构稳定，因此 CO₂分子的活化非常困难，从而较难参与反应，以

往通常采用苛刻的反应条件（如高温和高压）将其转化。通常，研究者们采用化学重整、矿化、酶催化以及光催化、电催化等手段，来克服 CO2较大的活化能垒。在这些方法中由于电化学还原反应条件温和、无需 H₂作为原料、反应 pH 值接近中性以及优异的洁净能源相容性，而备受关注。

电化学还原是一种在相对比较温和的外界条件下还原 CO2的方式，它通过施加电流使得 CO2在阴极表面进行还原。电化学还原具有以下优点：还原产物可以通过调节电解电压、电解温度和电解液种类来控制；电解液回收方便；而且电解池的结构简单便于制作，一般在常温下进行；用来电解的电能可以由太阳能、风能和地热能这些可再生能源产生；电化学反应系统紧凑，模块化，按需调整，易于在工业上建厂使用。

由于影响 CO2电化学还原的因素有很多，例如电极种类、溶剂类型、电解电压、压力、温度等，所以得到的产物也是多种多样，如甲醇、甲酸、甲烷、一氧化碳、乙烯等，根据其产物分布规律，各种金属被分为四大类。

(I)第一类金属:铜(Cu)作为一种独特的催化剂表现出显著的催化性能，可以将CO₂转化为碳氢化合物和含氧化合物，是唯一一种能以显著效率将CO₂还原为烃类或含氧烃类的金属电催化剂，如甲烷、乙烯、乙醇和丙醇。

(II)第二类金属:金(Au)、银(Ag)、锌(Zn)、钯(Pd)和镓(Ga)等贵金属对一氧化碳(CO)有选择性，主要产自CO。

(III)第三类金属:以生产甲酸盐为主的锡(Sn)、铅((Pb)、汞(Hg)、铟(In)、镉(Cd)等是生产甲酸(HCOOH)和甲酸盐((HCOO^-)的最佳催化剂。

(N)第四类金属:镍(Ni)、铁(Fe)、铂(Pt)和钛(Ti)等，在稳定状态下只发生析氢反应，产生氢气(H₂)，没有CO₂的还原能力。

在电化学还原COZ的各种催化剂中，铜被认为是可以用来生成甲烷和乙烯等烃类化合物最有前景的催化剂。近年来，高选择性铜基电催化剂因其产生高能量密度和作为化工原料的乙烯，而引起了国内外学者的广泛关注。

CN202010628183公开了一种表面疏水的枝晶状铜电极及其制备方法和应用。本发明提供的铜电极包括气体扩散层和沉积在所述气体扩散层表面的铜层；所述铜层的微观形貌为枝晶状。本发明提供的铜电极表面由规则的铜枝晶组成，表现出良好的疏水性，能有效防止电解液的过度接触，避免电极“泛滥”，提高电极的稳定性；且枝晶状的铜还能高效富集电解液中的阳离子形成局部高电场，从而提高碳碳耦联速率，使电极表现出较为优异的电催化CO2还原活性。