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一种调节多孔金属表面组分的制备方法及其电催化还原二氧化碳的应用

更新时间:2024-07-01
一种调节多孔金属表面组分的制备方法及其电催化还原二氧化碳的应用 专利申请类型:发明专利;
源自:天津高价值专利检索信息库;

专利名称:一种调节多孔金属表面组分的制备方法及其电催化还原二氧化碳的应用

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202011177405.4

专利申请(专利权)人:天津理工大学
权利人地址:天津市西青区宾水西道391号

专利发明(设计)人:安长华,安超,闫文秀

专利摘要:本发明提供一种新型电催化还原二氧化碳电极材料及其制备方法和应用,所述催化剂为三维多孔结构,成功调节材料的表面组成,所得到的新型催化剂表达式为AuCu3@AuxCuy。通过简单的加热方法,得到了不同表面组成的纳米多孔AuCu3合金。这种电极可以通过电催化还原二氧化碳的方式合成不同比例的合成气。通过对电极材料施加不同的还原电压可以得到CO/H2为1∶5到6∶1的合成气。并且,制备的电极材料可以直接用作工作电极。该发明为电催化还原二氧化碳提供了新的思路,加快电催化还原二氧化碳还原的工业应用。

主权利要求:
1.一种电催化还原二氧化碳电极材料,其特征在于:所述电极材料具有三维多孔纳米结构,通过煅烧,实现了对表面组分的调节,表面金铜比为2∶1,制备的电极材料表达式为AuCu3@Au2Cu1。
2.根据权利要求1所述电催化二氧化碳还原电极材料的制备方法,具体操作步骤如下:(1)多孔AuCu3的制备:将40‑80mgAu20Cu80加入到0.1‑0.5MFeCl3溶液中,磁力搅拌
30min,用去离子水冲洗若干次后真空干燥6‑12h;
(2)多孔AuCu3表面组分的调控:将覆盖了AuCu3的石英石板材放置反应室中,然后稳定在100‑200℃,煅烧数小时,反应完成后,样品颜色由金色转化为褐色,说明用上述的方法调控了多孔AuCu3表面的组分,得到我们的样品表达式为AuCu3@Au2Cu1。
3.权利要求1所述三维多孔电极材料在电催化还原二氧化碳方面的应用。 说明书 : 一种调节多孔金属表面组分的制备方法及其电催化还原二氧
化碳的应用技术领域[0001] 本发明属于电催化材料制备领域,具体地说,涉及一种调节三维多孔AuCu3的表面组分新方法,及其电催化还原二氧化碳制备合成气的应用。背景技术[0002] 电催化CO2还原(ECR)被认为是一种很有前途的方法来生产有价值的化学品,如CO,CH4,HCOOH和C2+产品,其中如何提高催化剂的产品选择性是有趣和具有挑战性的。例如,可以通过调整竞争性ECR和HER来合成不同CO/H2比例的合成气,并通过Fisher‑Tropsch化学进一步转化为长链碳氢化合物。先前报道的纳米孔金属由于暴露于高活性的内表面纳米孔和单片自支撑结构而在ECR中表现出优异的性能。研究发现,铜在生产各种产品中具有很强的活性。而银和金对CO表现出较高的活性和选择性。因此,构建纳米多孔双金属合金应有利于通过协同作用提高其对高附加值化学品的催化选择性。此外,所组成组分的表面组成可调,可进一步优化活性位点和产物分布,为揭示组分和CO2电还原选择性关系提供了机会。发明内容[0003] 本发明提供一种新型调节三维多孔电极材料表面组分的制备方法和应用,不仅可以通过调节施加电压改变合成气的比例,改变对CO的选择性,而且可以直接用于工作电极,不需要额外的处理,本发明对推进电催化二氧化碳还原的工业化具有重大意义。[0004] 为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案予以实现:[0005] 一种新型电催化还原二氧化碳电极材料,其特征在于:所述电极材料具有三维多孔纳米结构,通过简单的煅烧方法,实现了对表面组分的调节,制备的电极材料表达式为AuCu3@AuxCuy。[0006] 上述新型电催化二氧化碳还原催化剂的制备方法,制备步骤如下:[0007] (1)多孔AuCu3的制备:将40‑80mgAu20Cu80加入到0.1‑0.5MFeCl3溶液中,磁力搅拌30min,用去离子水冲洗若干次后真空干燥6‑12h;[0008] (2)多孔AuCu3表面组分的调控:将覆盖了AuCu3的石英石板材放置反应室中,然后稳定在100‑400℃,煅烧数小时,反应完成后,样品颜色由金色转化为褐色,说明用上述的方法调控了多孔AuCu3表面的组分。[0009] 上述电催化还原二氧化碳新型催化剂在电催化还原二氧化碳方面的应用。[0010] 二、新型三维多孔电催化二氧化碳还原电催化剂性能研究,方法如下:[0011] 分别配制40mL0.5MKHCO3溶液置于H型电解池两个半电池中,选取长度为2cm的AuCu3电极材料作为工作电极,选取铂片为对电极,银氯化银电极为参比电极,向溶液中通入高纯二氧化碳30min,在磁力搅拌下,用CHI760E电化学工作站测试,每间隔25min进行取样,产物进入气相色谱对其进行分析,确定产物含量。附图说明[0012] 图1为本发明实施例1,2制备的AuCu3@Au2Cu1,AuCu3@Au1Cu8产物的SEM照片;[0013] 图2为本发明实施例1,2制备的AuCu3@Au2Cu1,AuCu3@Au1Cu8产物的XRD衍射花样;[0014] 图3为本发明实施例1,2制备的AuCu3@Au2Cu1,AuCu3@Au1Cu8XPS及含量图;[0015] 图4为本发明实施例1,2制备的AuCu3@Au2Cu1,AuCu3@Au1Cu8产物的电催化还原二氧化碳性能图;具体实施方式[0016] 本发明针对现有多孔金属组分调控方法的问题和不足,提供了一种简便的调控金铜比例进而调节合成气比例的新方法。[0017] 本发明提供了新型二氧化碳还原电催化剂的合成方法,包括以下步骤:[0018] (1)多孔AuCu3的制备:将40‑80mgAu20Cu80加入到0.1‑0.5MFeCl3溶液中,磁力搅拌30min,用去离子水冲洗若干次后真空干燥6‑12h;[0019] (2)多孔AuCu3表面组分的调控:将覆盖了AuCu3的石英石板材放置反应室中,然后稳定在100‑400℃,煅烧数小时,反应完成后,样品颜色由金色转化为褐色,说明用上述的方法调控了多孔AuCu3表面的组分。[0020] 多孔电催化剂AuCu3的电催化二氧化碳还原性能研究,方法如下:[0021] 别配制40mL0.5MKHCO3溶液置于H型电解池两个半电池中,选取长度为2cm的AuCu3@AuxCuy电极,浸入液面以下1cm,铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,向溶液中通入高纯二氧化碳30min,磁力搅拌下用CHI760E电化学工作站进行测试,每间隔25min进行一次取样,产物进入气相色谱进行分析,确定产物含量。[0022] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。[0023] 实施例1[0024] 具有电催化还原二氧化碳性能的多孔AuCu3@Au2Cu1的制备。[0025] (1)多孔AuCu3的制备:将40‑80mgAu20Cu80加入到0.1‑0.5MFeCl3溶液中,磁力搅拌30min,用去离子水冲洗若干次后真空干燥6‑12h;[0026] (2)多孔AuCu3表面组分的调控:将覆盖了AuCu3的石英石板材放置反应室中,然后稳定在100‑200℃,煅烧数小时,样品命名为AuCu3@Au2Cu1。[0027] (3)三维纳米多孔AuCu3@Au2Cu1的电催化还原二氧化碳性能测试:分别配制40mL0.5MKHCO3溶液置于H型电解池两个半电池中,选取长度为2cm实施例1中电极材料,用铂片电极夹夹取0.5cm左右,使浸入液面以下长度为1cm,选取铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,然后向溶液中通入高纯二氧化碳30min,在磁力搅拌下,用CHI760E电化学工作站进行测试,每间隔25min进行一次取样,产物进入气相色谱进行分析,确定产物含量。[0028] 实施例2[0029] 具有电催化还原二氧化碳性能的多孔AuCu3@Au1Cu8的制备。[0030] (1)多孔AuCu3的制备:将40‑80mgAu20Cu80加入到0.1‑0.5MFeCl3溶液中,磁力搅拌30min,用去离子水冲洗若干次后真空干燥6‑12h;[0031] (2)多孔AuCu3表面组分的调控:将覆盖了AuCu3的石英石板材放置反应室中,然后稳定在200‑300℃,煅烧数小时,样品命名为AuCu3@Au1Cu8。[0032] (3)三维纳米多孔AuCu3@Au1Cu8的电催化还原二氧化碳性能测试:分别配制40mL0.5MKHCO3溶液置于H型电解池两个半电池中,选取长度为2cm实施例1中AuCu3@Au1Cu8电极材料,用铂片电极夹夹取0.5cm左右,使浸入液面以下长度为1cm,选取铂片为对电极,银/氯化银电极为参比电极,然后向溶液中通入高纯二氧化碳30min,在磁力搅拌下,用CHI760E电化学工作站进行测试,每间隔25min进行一次取样,产物进入气相色谱进行分析,确定产物含量。[0033] 下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步详细说明。[0034] 图1为实施例1,2的SEM照片。由图可知,合成的电极材料为三维纳米多孔结构,且分布较均匀,韧带尺寸约为40nm,并且,通过加热之后的样品,由于铜的析出,表明形成一些清晰可见的小颗粒。[0035] 图2为为实施例1,2的XRD衍射花样。由图可知,合成的电极材料为AuCu3,存在几个微弱的Au峰,并且,当温度升高,Au的峰逐渐降低,也可以说明表面的Au组分在逐渐降低。[0036] 图3为实施例1,2的XPS及元素含量图。(a)为Cu的2p轨道;(b)为表面的金铜含量图。从图中可以看出,通过加热,造成了金铜含量的变化,并且,表面XPS谱图也表明,表面的铜价态发生很大变化。[0037] 图4为实施例1,2的性能图。通过加热,对CO2电还原的产物实现了调控,图a为实施例1的FE效率,可以得到CO/H2为1/5到6/1的不同比例的合成气,而图b的实施例2的FE效率,可以得到CO/H2为1附近的稳定的合成气,说明成功实现了合成气比例的调控。[0038] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。

专利地区:天津

专利申请日期:2020-11-02

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN114525524B

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