[发明专利]一种铜基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及能源催化技术领域，特别涉及一种铜基催化剂及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：将含铜化合物、还原剂加入至第一溶剂中，经溶剂热法制备得到含Cusubgt;2/subgt;O核的悬浮液；对所述含Cusubgt;2/subgt;O核的悬浮液进行固液分离处理，得到Cusubgt;2/subgt;O颗粒；将所述Cusubgt;2/subgt;O颗粒、苯胺、过硫酸铵加入第二溶剂中，通过原位化学氧化法进行聚合反应制得含有Cusubgt;2/subgt;O@PANI核壳结构的悬浮液；对所述Cusubgt;2/subgt;O@PANI核壳结构的悬浮液进行固液分离处理，即得聚苯胺包覆的Cusubgt;2/subgt;O催化剂。本发明提供的该铜基催化剂可适用于酸性体系下电催化还原二氧化碳和/或一氧化碳制备多碳产物，该铜基催化剂具有高效率、高选择性、特别是高稳定性的优点。

技术领域

本发明涉及能源催化技术领域，特别涉及一种铜基催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

二氧化碳电催化还原技术可利用新能源转化产生的电能将二氧化碳转化为有价值的化学品，这不仅能降低大气中温室气体含量，推动我国“碳达峰”、“碳中和”目标的实现，还能够创造可观的附加经济效益。

在催化剂及其他条件不同的情况下，二氧化碳电催化还原的产物也不相同；其中铜基催化剂催化产生的乙烯、乙醇等C₂₊产物是颇具价值的化工原料和能量载体。

在二氧化碳电催化还原技术十几年的发展历程中，大多数研究都采用了碱性体系；碱性环境可使阴极的析氢副反应以较低的速率进行，还可促进多相催化界面上的碳碳偶联。然而，在碱性环境下的电催化还原过程存在以下不足：

(1)二氧化碳可与OH^-离子反应生成碳酸盐并向阳极扩散，这不但降低了二氧化碳的利用率，而且会使阳极析氧反应的电势显著增加，反应能耗大大提高；

(2)二氧化碳还原产生的甲酸盐、乙酸盐等液相产物在碱性环境下会通过阴离子交换膜(AEM)扩散至阳极，造成了产品损失。

在酸性体系的反应条件下进行电催化还原，可以有效避免上述缺陷带来的问题。一方面，在酸性体系的反应条件下，OH^-浓度极低，因此不会有碳酸盐产生的问题，二氧化碳的极限利用率可达100％；另一方面，酸性体系中使用的阳离子交换膜(CEM)可最大限度减少液体产物的损失。

但是，酸性体系在二氧化碳电催化还原的应用中也具有明显的不足之处。它的主要缺点是析氢副反应较严重，且碳碳偶联反应速率较低，不利于C₂₊产物的产生。

为解决酸性体系应用中存在的该问题，Sargent等(Nature 537,382–386(2016))对酸性条件下的二氧化碳电催化还原进行了深入研究，通过在铜催化剂表面富集K⁺的策略来提高C₂₊产物的选择性和稳定性，又通过引入Pd来增强局部*CO的覆盖，从而促进碳碳偶联。但在这些研究中，铜基催化剂在酸性电解液中腐蚀剥落严重，稳定性普遍较差。

综上所述，如何开发一种高效率、高选择性、高稳定性的可适用于酸性体系下电催化还原二氧化碳制备多碳产物的催化剂，显得尤为重要，正是本领域技术人员致力于解决的技术问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的现有技术的不足，本发明提供一种铜基催化剂及其制备方法和应用，制得的该催化剂可应用于酸性体系下电还原二氧化碳和/或一氧化碳制备多碳产物，具有高效率、高选择性、特别是高稳定性的优点。

本发明提供的铜基催化剂的制备方法，其技术方案如下：

该铜基催化剂的制备方法包括以下步骤：