[发明专利]一种铜基催化电极及制备方法与其在电催化还原二氧化碳制乙烯的应用

说明书

本发明属于先进材料技术领域，涉及二氧化碳还原技术，具体涉及一种铜基催化电极及制备方法与其在电催化还原二氧化碳制乙烯的应用。催化电极包括钯‑氧化亚铜催化剂和导电集流体，所述钯‑氧化亚铜催化剂负载于导电集流体的表面，所述钯‑氧化亚铜催化剂是由钯纳米颗粒负载于氧化亚铜纳米颗粒表面形成。本发明公开的钯‑氧化亚铜催化电极在电催化还原二氧化碳制乙烯中表现出高活性、对乙烯选择性、稳定性。研究表明，性能的提高来自于钯能够有效抑制一价铜的还原，并能够有效稳定*CO关键中间体。

技术领域

本发明属于先进材料技术领域，涉及二氧化碳还原技术，具体涉及一种铜基催化电极及制备方法与其在电催化还原二氧化碳制乙烯的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

乙烯(C₂H₄)，作为重要的化工原料，可以通过电催化还原二氧化碳(CO₂)得到。然而，由于过程涉及C-C偶联等众多繁琐而复杂的步骤，电催化还原CO₂生产C₂H₄面临选择性低、活性低、稳定性差等问题，严重制约着实际应用。

据发明人研究了解，就催化电极材料而言，铜基材料是唯一的能够以可接受的效率生产C₂H₄的一类催化材料，但其选择性很低，仅为40％左右。含一价铜(Cu⁺)的材料(比如氧化亚铜)具有更高的对C₂H₄的选择性，但由于电催化还原CO₂需要非常负的操作电位，在该条件下Cu⁺是不稳定的，容易被还原为Cu⁰，从而导致活性和选择性剧烈降低。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种铜基催化电极及制备方法与其在电催化还原二氧化碳制乙烯的应用，该铜基催化电极在电催化还原二氧化碳制乙烯中具有较高的选择性、活性和稳定性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种铜基催化电极，包括钯-氧化亚铜催化剂和导电集流体，所述钯-氧化亚铜催化剂负载于导电集流体的表面，所述钯-氧化亚铜催化剂是由钯纳米颗粒负载于氧化亚铜纳米颗粒表面形成。

另一方面，一种铜基催化电极的制备方法，将氧化亚铜纳米颗粒负载于导电集流体表面，然后通过电化学沉积法将钯纳米颗粒沉积在氧化亚铜纳米颗粒表面，即得；

或者，采用化学沉积法或光化学沉积法将将钯纳米颗粒沉积在氧化亚铜纳米颗粒表面获得钯-氧化亚铜催化剂，将钯-氧化亚铜催化剂负载于导电集流体表面，即得。

第三方面，一种上述铜基催化电极在电催化还原二氧化碳制乙烯的应用。

本发明通过密度泛函理论表明，电催化还原二氧化碳制乙烯的过程是复杂的，需要经历12步电子转移。在这些步骤中，由*COOH中间体转化为*CO中间体和由两个*CO中间体转化为*COCO中间体这两个步骤为需要克服热力学势垒的热力学上坡过程，在这两个步骤中，钯-氧化亚铜催化剂的热力学势垒均低于氧化亚铜催化剂的热力学势垒。表明，本发明的基于钯-氧化亚铜催化剂的催化电极更有利的电催化还原二氧化碳制乙烯。

本发明的有益效果为：

本发明提供的铜基催化电极由简单的化学沉积、光化学沉积或电化学沉积获得，具有工艺简单、低设备要求、易大规模生产等特点。

经过实验表明，本发明提供的铜基催化电极在进行电催化还原二氧化碳制乙烯的过程中，能够实现更高的乙烯选择性、活性和稳定性；其对乙烯的法拉第效率可高达68.5％，电流密度可达30mA cm^-2，并能够保持长期稳定。