[发明专利]碳基底负载不同形貌的铜催化剂及其应用

说明书

本发明公开了一种碳基底负载不同形貌的铜催化剂及其应用，属于电化学合成与催化技术领域。通过控制电沉积的电位，改变了铜离子在碳基底上的还原速度，进而影响了负载在碳基底上的铜单质的形貌和化学状态。其中微观形貌为松塔状的铜作为催化剂对于电化学固定二氧化碳与环氧化合物进行电化学偶合反应具有优异的催化性能，有效提升了其目标产物环状酯类化合物的选择性及产率，同时该催化剂具有较高的稳定性，并且制备方便、成本低廉，有利于大规模生产。

技术领域

本发明涉及电化学合成与催化技术领域，具体涉及一种碳基底负载不同形貌的铜催化剂及其应用。

背景技术

将造成温室效应的二氧化碳转化为化学品和燃料，符合绿色环保、可持续发展的理念。与转化为一氧化碳、甲醇等基础的化学品相比，将二氧化碳与其他化合物偶合成更高附加值化合物(如：羧酸、尿素、氨基甲酸酯或碳酸盐等)是固定储存二氧化碳利益最大化的方法。目前，二氧化碳和环氧化合物偶合形成五元环状碳酸酯被认为是二氧化碳固定最重要的几个反应之一。环状碳酸酯不仅可作为电池电解液、绿色试剂、燃料添加剂，还可以聚合为新型可降解材料聚碳酸酯。

目前偶合成环状碳酸酯主要依赖传统的热催化反应体系，该过程需要金属有机框架催化剂、离子液体催化剂、非金属有机物催化剂等，这些催化剂的生产成本高昂，制备方法复杂，因此极大的制约了它们的实际应用。在苛刻的反应条件下(1MPa,80℃)造成极大的能量资源消耗。

电化学偶合二氧化碳和环氧化合物催化体系可以将电能替代内能作为驱动力，可以在常温常压下进行，以碳基底负载的铜作为催化剂取得了优异的催化性能。该催化剂具有较小的晶粒、较大的比表面积，因此含有丰富的电化学活性位点，使环氧化合物具有优异的转化以及碳酸酯化合物具有较大的产率。该铜催化剂因为其廉价的制备材料，简单的制备过程，在环状碳酸酯的合成领域有巨大的潜在应用价值。

发明内容

本文发明的目的在于提供一种碳基底负载不同形貌的铜催化剂及其应用，在碳基底上通过电沉积形成铜催化剂。通过优化反应条件，使反应体系在常温常压下即可进行，具有低耗能、反应条件简便的特点。

本发明的技术方案如下：

一种碳基底负载不同形貌的铜催化剂，该铜催化剂负载于碳基底上，所述铜催化剂的微观形貌为颗粒状、松塔状或花朵状。

所述颗粒状铜的粒径尺寸为1～2μm，松塔状铜的粒径尺寸为70～90nm，所述花朵状铜的粒径尺寸为40～60nm。

所述碳基底是由碳纤维构成的碳材料，如碳纸、碳布等。

所述碳基底负载不同形貌的铜催化剂是利用电沉积法制备获得，其制备方法包括如下步骤：

(1)准备浓度0.05～0.2mol/L的铜盐溶液作为电解液，所述铜盐溶液为硫酸铜溶液或氯化铜溶液；

(2)在碳基底上电沉积制备铜催化剂，电沉积在单电解池的三电极体系中进行，工作电极为碳基底，对电极为铂丝、铂片或铂网，参比电极为银/氯化银、氢电极、甘汞电极或汞/氧化汞电极，使用恒压或恒流方法电沉积，沉积时间为2～20min。

步骤(2)中，使用恒压方法电沉积时，制备微观形貌为颗粒状的铜纳米颗粒催化剂所使用的恒定电压为0.4～0.1V_RHE；制备微观形貌为松塔状的铜催化剂所使用的恒定电压为-1.0～-0.7V_RHE；制备微观形貌为花朵状的铜催化剂所使用的恒定电压为-1.5～-1.2V_RHE。

所述铜催化剂应用于电化学固定二氧化碳与环氧化合物进行加成的电化学催化反应中。