[发明专利]铜基纳米材料及其制备方法和应用、以及电催化工作电极

说明书

本发明属于电催化领域，并具体公开了一种铜基纳米材料及其制备方法和应用、以及电催化工作电极，其包括如下步骤：在CuSOsubgt;4/subgt;溶液中滴入氨水形成铜氨络合物，然后将NaOH溶液倒入，得到前驱物Cu(OH)subgt;2/subgt;纳米带溶液；将COsubgt;2/subgt;气体通入前驱物Cu(OH)subgt;2/subgt;纳米带溶液，得到Cusubgt;2/subgt;(OH)subgt;2/subgt;COsubgt;3/subgt;材料。该Cusubgt;2/subgt;(OH)subgt;2/subgt;COsubgt;3/subgt;材料为海胆状纳米颗粒，将其作为COsubgt;2/subgt;还原制乙烯的电催化剂，在反应过程中会形成树枝状结构，具有丰富的Cusupgt;0/supgt;/Cusupgt;+/supgt;活性位点，此类活性位点能够降低碳碳耦合的能垒，使材料表现出安培级电流二氧化碳电还原制乙烯的性能。

技术领域

本发明属于电催化领域，更具体地，涉及一种铜基纳米材料及其制备方法和应用、以及电催化工作电极。

背景技术

利用电化学工艺可实现碳基小分子如CO₂重整制备高值化学品与燃料，CO₂电催化还原除了能够缓解温室效应引起的环境问题，还能保存风能、太阳能和潮汐能等间隙性和不稳定的清洁能源转换为可储存能源。其中，多碳产物具有高的能量密度以及工业价值，特别是乙烯，是化工工业中重要的原料；然而在实际工业生产中，乙烯通常是在恶劣的生产条件下(800℃)由石脑油的蒸汽裂解制得到，产物往往伴随其他低碳烯烃(丙烯、丁烯等)。而CO₂电催化制乙烯能够在温和环境下进行反应，并有望得到单一乙烯产物。因此，如何开发出高电流密度、高乙烯法拉第效率的催化剂，是推进CO₂电催化制乙烯向工业化生产的重要因素。

由于铜具有负*CO(*表示表面吸附物种)吸附能和正*H吸附能的独特性质，铜基催化剂被认为是唯一能够实现高效电催化CO₂还原为多碳产物(如乙烯、乙醇和丙醇等)的催化剂。当前，基于铜基材料电催化CO₂制乙烯的催化电流往往较小(100mA cm^-2)，尽管有文献报道多碳产物法拉第效率有了较高的提升，但对单一乙烯的法拉第效率仍较低(50％)，且催化剂制备繁琐。在高乙烯法拉第效率(法拉第效率70％)的基础下，获得安培级电流密度电催化CO₂还原制乙烯(电流密度0.8A cm^-2)仍面临巨大挑战。

因此，亟需一种新型铜基材料，在电催化CO₂制乙烯高乙烯法拉第效率的前提下，可以满足工业上安培级电流密度的需求；同时要求材料安全可控，成本低廉。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铜基纳米材料及其制备方法和应用、以及电催化工作电极，其目的在于，针对电催化CO₂还原制乙烯过程，制备出同时具有高电流密度和高乙烯法拉第效率的催化剂。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种铜基纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

在CuSO₄溶液中滴入氨水形成铜氨络合物，然后将NaOH溶液倒入，得到前驱物Cu(OH)₂纳米带溶液；所述CuSO₄溶液的浓度为1.6～40mmol/L，氨水的浓度为0.1～0.5mol/L，NaOH溶液的浓度为0.5～2mol/L；

将CO₂气体通入前驱物Cu(OH)₂纳米带溶液，得到Cu₂(OH)₂CO₃材料；通入CO₂气体的流速不小于20sccm，时间不小于12h。