[发明专利]铜基单原子合金催化剂及其制备方法、应用、二氧化碳电还原制备甲酸的膜电极电解质电池

说明书

本发明提供了一种铜基单原子合金催化剂，包括铜以及复合在所述铜表面的金属单原子；所述金属包括铅、铋和铟中的一种或多种。本发明公开的铜基单原子合金催化剂具有特定的结构和形貌，将金属单原子(铅，铋，铟)单分散在铜衬底表面。本发明还公开了上述铜基单原子合金催化剂的制备方法以及该铜基单原子合金催化剂在二氧化碳电还原反应中的应用。本发明在金属单原子的作用下，调节了铜衬底的电子结构，降低了其对二氧化碳电还原中间体COOH*中间体的吸附能力，提高了铜在二氧化电还原中对HCOO*中间体的吸附，实现了二氧化碳到甲酸的单一选择性电催化还原。在固态电解质反应池中，基于铜基单原子合金催化剂可连续制备纯甲酸水溶液。

技术领域

本发明属于单原子合金催化剂技术领域，涉及一种铜基单原子合金催化剂及其制备方法、应用、二氧化碳电还原制备甲酸的膜电极电解质电池，尤其涉及一种铜基单原子合金催化剂及其制备方法、应用、二氧化碳电还原制备纯甲酸或其溶液的膜电极固态电解质电池。

背景技术

二氧化碳是化石燃料使用过程中的最终产物，并会导致严重的温室效应。将二氧化碳转化为一些有价值的化石燃料是目前全球范围内亟需解决的重要问题，而这其中电化学方法是目前最有前景的方法之一。

然而，已报道的电催化二氧化碳电催化还原体系不仅存在析氢等副反应,还涉及了C-O键断裂、C-H、C-C键的生成等问题，造成还原产物的成分过于复杂(包括甲酸，一氧化碳，乙烯，乙醇等)，导致其难以在实际应用中直接利用。

所以，制备高活性、高选择性且易于大规模生产的电催化二氧化碳还原材料具有重要的研究价值。与其他气相产物产品相比，甲酸是一种高能量密度的液体燃料，作为储氢材料、燃料电池的化学燃料被广泛开发，也是一种具有重要工业意义的关键化学中间体。然而，目前常见的从二氧化碳电还原中得到的甲酸产物是甲酸离子与其他来自溶质的杂质离子的混合，必须经过提纯才能投入工业化使用，将进一步增加生产成本。

因此，如何找到一种更为适宜的方式，不仅能够得到高活性、高选择性且易于大规模生产的电催化二氧化碳还原的方法，而且还能进一步将二氧化碳电还原成甲酸，已成为本领域诸多具有前瞻性的技术人员广为关注的焦点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种铜基单原子合金催化剂及其制备方法、应用、二氧化碳电还原制备甲酸的膜电极电解质电池。本发明提供的铜基单原子合金催化剂，实现二氧化碳到甲酸的单一选择性电催化还原，而且制备方法条件温和，程序简单，更加适于规模化的后续生产和应用。

本发明提供了一种铜基单原子合金催化剂，包括铜以及复合在所述铜表面的金属单原子；

所述金属包括铅、铋和铟中的一种或多种。

优选的，所述铜包括铜衬底；

所述金属单原子与所述铜的质量比为(1～10)：100；

所述催化剂包括电化学催化二氧化碳还原用催化剂；

所述金属单原子以单分散的形式，负载在所述铜表面；

所述金属单原子之间不存在相互连接的金属键。

优选的，所述铜包括颗粒状铜材料、片状铜材料和柱状铜材料中的一种或多种；

所述颗粒状铜材料的粒径为20～100nm；

所述片状铜材料的片径为20～200nm；

所述片状铜材料的厚度1～20nm；

所述催化剂包括电化学催化二氧化碳还原，制备纯液态甲酸或甲酸水溶液的催化剂；

所述铜基单原子合金催化剂由羟基氯化铜前驱体和金属盐经电化学反应后得到。

本发明提供了一种铜基单原子合金催化剂的制备方法，包括以下步骤：