[发明专利]电催化还原CO2

说明书

本发明属于催化剂制备领域，特别涉及电催化还原CO₂的Cu基单原子合金催化剂及制备方法。本发明以性能稳定的Cu作为基底金属，并利用兼具溶剂与有机配体作用的小分子有机溶剂将过渡金属以单原子形式均匀分散于Cu纳米晶格中，形成具备双金属活性位的单原子合金结构，更有益于电催化CO₂还原过程中C＝C双键的裂解，有效抑制了HER副反应，提高了CO的选择性生成效率；本发明单独使用N,N‑二甲基甲酰胺小分子有机溶剂同时作为溶剂和配体，无需添加其他有机配体即可将过渡金属M原子均匀分散至Cu纳米微晶结构中，形成具备双活性位的以杂原子改性石墨烯为载体的Cu基单原子合金结构，实现了简化操作、降低成本的技术效果。

技术领域

本发明属于催化剂制备领域，特别涉及一种用于电催化还原CO₂的Cu基单原子合金催化剂及制备方法，特别是缺陷型石墨烯负载Cu基单原子合金纳米催化剂的制备方法及应用。

背景技术

现代工业化社会的迅猛发展背景下，化石燃料大量燃烧以及污染物的过量排放打破了生态环境的碳平衡。CO₂作为主要的温室气体之一，其含量逐年上升引发的气候效应，如全球变暖、海平面上升等问题已然成为全球化的环境问题。为了避免气候环境问题的持续升温，寻求高效可靠的技术方法实现大气中CO₂再生利用，维持CO₂和再生化学能源之间的良性循环，成为目前环境领域备受关注的研究课题。

利用再生电能的电催化CO₂还原是实现CO₂转化并生成CO、甲酸、甲烷、乙烯等多种附加产物的有效途径。相对于电催化CO₂还原生成烃类产物，转化生成CO的工艺流程简单易操控，更有利于产业化推广应用。但是，高反应电位的阴极电催化CO₂还原过程往往伴随着竞争性的析氢反应(HER)，从而导致转化产物的生成率与选择性较低。如何有效抑制HER副反应的发生，提高产物的生成效率和选择性已成为催化剂设计开发的重要方向。

具备双活性位点的双金属材料在电催化CO₂还原过程中得到了广泛关注和应用。其中，单原子合金催化剂结合了单原子催化和双金属催化的双重效用，大大提升了金属活性位点的利用率，同时利用双金属配位结构的电子协同效应，提升了催化CO₂还原的反应活性和选择性。过渡金属材料中的Cu纳米微晶结构具备较高的晶界密度和缺陷位能够优化CO等反应中间体的结合能，且Cu微晶结构的化学稳定性较强，常作为稳定过渡金属单原子的基底金属。为了增加金属材料的稳定性，防止金属团聚、溶出失活等现象发生，现多采用碳材料作为载体为金属活性组分提供稳定支撑。通过在碳材料结构中引入杂原子(N、O、S、P等)形成缺陷结构不仅能够增加催化材料的比表面积和活性位点，这些缺陷位往往作为金属纳米颗粒的稳定附着点，从而构筑高效稳定的催化体系。

目前，本领域内的Cu基双金属材料在电催化CO₂制备CO的选择性方面略显不足，同时因双金属材料的制备方法不完善而易导致原子在碳材料上的分散性较差，从而造成催化效率较低。

发明内容

本发明目的在于解决电催化CO₂还原生成CO反应中选择性不足、Cu基合金催化剂的制备方法较为复杂同时过渡金属原子分散性较差的问题，提供了一种用于电催化还原CO₂的Cu基单原子合金催化剂及制备方法。本发明中以性能稳定的Cu作为基底金属，并利用小分子有机溶剂兼具溶剂和有机配体的作用将过渡金属以单原子形式均匀分散于Cu纳米晶格中，形成具备双金属活性位的单原子合金结构，更有益于电催化CO₂还原过程中C＝C双键的裂解，提高CO的选择性生成效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明还提供一种如上述Cu基单原子合金催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：