[发明专利]一种富含缺陷的铜基纳米催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种富含缺陷的铜基纳米催化剂及其制备方法与应用。该制备方法为将第威德合金置于溶有缓蚀剂中的酸溶液中进行静置反应，反应后洗涤、抽滤、真空干燥，得到富含缺陷的铜基纳米催化剂。该催化剂可在电催化还原二氧化碳为高碳化合物(C2+)中应用。本发明采用了极其简单且可控的制备工艺，通过一步化学刻蚀法，去合金化制备了富含大量空位、台阶、位错等缺陷的铜基纳米催化剂，对二氧化碳电化学还原为乙烯和乙醇表现出了优异的性能，C2产物的选择性高于60％。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种富含缺陷的铜基纳米催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

工业革命以来，大量的化石能源被开采和利用，这不可避免地造成了严重的环境问题和能源危机。其中，二氧化碳的过度排放就形成了严重的温室效应，威胁着人类未来的生存和发展。电催化二氧化碳还原技术可以利用可再生的电能，在温和的环境下将从大气中捕获的二氧化碳电催化还原为一系列的化学品和燃料(一氧化碳、甲烷、甲酸、乙烯、乙醇等)，实现碳循环闭合，这既可以缓解能源危机与温室效应，又可将间歇性的可再生电能转化为含碳化合物的化学能进行储存和运输。二氧化碳电化学还原可以生成多种碳产物，含碳数为两个及以上的被认为是多碳化合物(C2+)，这类含碳化合物因具有高能量密度被视为高附加值产物，具有更大的商业价值。所以，二氧化碳电催化还原为特定的多碳化合物，被认为是一种极具发展前景的技术路径。

二氧化碳是一种极其稳定的分子，所以，二氧化碳电化学还原为高碳化合物的核心技术是开发出有高活性和高选择性的电化学催化剂。金属铜因为对高碳化合物的反应中间体有着适当的结合力，展现出独特的催化性能，受到了广泛的关注和研究。目前，大量的氧化衍生铜、合金型铜、掺杂型铜、合金铜等铜基材料被制备和研究。比如，专利一种铜合金材料电催化二氧化碳制备含碳化合物的方法公布了一种非晶态铜合金材料，可电催化二氧化碳为醇或酸类碳产物，但是，该材料不仅要在高温条件下进行，而且需要精准控制合金组分，整体的制备条件较复杂。目前的研究中，还未发现具有普适性的高活性反应位点和成熟的材料开发技术，二氧化碳电催化还原高碳化合物的选择性和活性仍是一个巨大的挑战。

近来，有研究表明，铜基材料中的缺陷位点可以促进多碳化合物*CO反应中间体的吸附，并且降低C-C耦合反应的活化能，从而对多碳化合物具有高选择性和活性。比如，郑耿峰课题组利用快速冷却的方法制备了富含晶界的氧化亚铜(Yang C,Shen H,Guan A,etal.Fast cooling induced grain-boundary-rich copper oxide for electrocatalyticcarbon dioxide reduction to ethanol[J].Journal of Colloid and InterfaceScience,2020,570:375-381.)，该材料对高碳化合物展现了较优的性能。但是，该催化剂的缺陷类型主要是晶界，其制备过程也较复杂，包含氧化、还原、液氮冷却等多步骤，并且难以大规模制备。所以，如何用简单的制备方法，开发出稳定可控、富含缺陷、并且可大规模化生产的高性能铜基催化剂是二氧化碳电催化还原领域亟待解决的问题。

发明内容

基于现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种富含缺陷的铜基纳米催化剂及其制备方法与应用。所述富含缺陷的铜基纳米催化剂是通过一种极其简单的、可控的工艺技术制备得到的，所述富含缺陷的铜基纳米催化剂用于高效地电催化二氧化碳还原为高碳化合物。本发明通过一步化学刻蚀法，用酸对粉碎的第威德合金颗粒进行去合金化，制备出了富含大量缺陷位点(空位、台阶、位错)的铜基纳米催化剂。该催化剂在二氧化碳电化学还原反应中对乙烯和乙醇表现出优异的选择性和活性。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种富含缺陷的铜基纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将购买的第威德合金用粉碎机粉碎，筛选粒度均匀的第威德合金颗粒；