[发明专利]一种共轭导电聚合物改性铜基催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种共轭导电聚合物改性铜基催化剂及其制备方法与应用，所述共轭导电聚合物改性铜基催化剂表面覆盖有2～5nm厚的聚合物层，能够显著提高电极材料的疏水性和导电性；所得催化剂稳定性好，聚合物层不易脱落，将其作为电催化CO₂还原的催化剂，以可逆氢电极为标准，在‑0.93伏特的电解电压下，电催化的法拉第效率＞82％，其中C₂₊产物的法拉第效率＞70％，表现出优异的产物选择性和高的转化效率。

技术领域

本发明属于纳米技术和电化学领域，具体涉及一种共轭导电聚合物改性铜基催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

当前，由于工业产能的升级以及化石燃料的大规模开采利用，伴随着的是气候和环境问题的剧烈恶化。其中，二氧化碳排放量的居高不下，是造成一系列问题的主要原因。因此，如何有效利用可再生能源技术减少大气中的二氧化碳的含量，并将其转化为具有更高附加值的产品，不仅是实现“碳达峰，碳中和”的有效方法，更是解决全球变暖的有效方法。电化学二氧化碳还原反应是一种常规的催化过程，通过该过程，可通过可再生的电力驱动 CO₂循环，从而提供一条通向零碳或低碳化学/燃料原料的途径。

电化学二氧化碳还原是通过外界施加一定的电势，使CO₂分子在电极上发生还原，从而生成例如甲烷、CO、乙烯、乙醇等一系列高附加值产物的电化学反应。但是由于CO₂分子结构稳定，化学活性较差的原因，往往需要耗费较多的能量输入。而选择合适的催化剂，从而降低CO₂还原反应的能垒，是一个有效的方法。近年来，经研究发现，铜基催化剂是最有前景能够将CO₂还原为多碳产物的催化剂。然而，铜基催化剂的不稳定性与反应过程中的强析氢性也在一定程度上限制了其进一步的开发利用。因此，为了实现产物的高选择性和稳定性，对铜基催化剂的合理设计与改性，也引起了国内外的广泛关注。

中国专利公开了一种用于电催化CO₂还原的Cu₃N纳米催化剂的制备方法。该方法提供了Cu₃N铜基催化剂，并将其应用在电催化CO₂还原过程中，但是催化剂制备方法涉及到高温焙烧的方式，损耗能量较大，且产率较低。

中国专利公开了一种利用金属酞菁分子-纳米碳制备的异相单分子电催化剂的方法及用途。该方法通过在液相中将金属酞菁分子于纳米碳混合，使得金属酞菁分子能够在纳米碳上分布均匀，得到高反应性能的异相单分子型电催化剂，但较为不足的是所使用的金属酞菁与纳米碳价格较贵，难以进行大规模生产。

中国专利公开了一种铜基复合薄膜催化剂及其制备方法与应用。该发明提供的铜基复合薄膜具有微孔衬底，并于酞菁类化合物与炭材料相结合。然而，该方法制备过程涉及到薄膜厚度的精确控制与微孔孔径的调节，较为繁琐复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在改性方法复杂及疏水性较差等问题，提出了一种共轭导电聚合物改性铜基催化剂及其制备方法与应用，所述共轭导电聚合物改性铜基催化剂用于电催化CO₂还原，在保证良好的疏水性和稳定性的前提下，获得电催化CO₂还原反应的高法拉第效率。

本发明采用简单的超声辅助物理混合法制备共轭导电聚合物改性铜基催化剂是一种简单有效的制备技术。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种共轭导电聚合物改性铜基催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将初始铜基材料经除油、酸洗和水洗预处理；

(2)将步骤(1)所述预处理后的铜基材料将其擦拭干净后进行裁剪成小块或研磨成粉，然后进行升温焙烧处理，得到表面干净无杂质的氧化铜基材料；

(3)将步骤(2)所述氧化铜基材与溶解有导电聚合物的溶液进行超声混合处理，得到催化剂；