铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法

本发明属于电催化，特别涉及铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法。

背景技术：

1、随着人们对二氧化碳(co2)排放引起的全球变暖和有限化石燃料资源枯竭的担忧不断增加，开发可再生替代能源已成为21世纪的重大科学挑战。因此，在捕获并将其转化为有价值的化学品和燃料的二氧化碳的电化学还原已经引起了极大的关注。这种方法在有效减少二氧化碳排放的同时产生有价值的最终产品，是一种很有前途的方法。

2、值得注意的是，在所有开发的用于水溶液中电催化co2还原(co2rr)的催化剂中，只有铜基电催化剂表现出显著的能力，可以显著还原co2，产生多碳化合物作为最终产物。然而，co2还原涉及多个电子-质子转移步骤，导致各种反应途径通常伴随着竞争性析氢反。这导致了产品类型的多样化，对多碳产物的低选择性，以及较低的法拉第效率。此外，由于co2的热力学稳定性，co2rr需要克服显著的能量障碍来激活和破坏c＝o键，这是实现c–c耦合的必要步骤。这使得在较低的应用电位下实现高还原电流密度具有挑战性，并且难以在较高的应用电位下有效抑制her活性，从而导致催化活性降低。目前，尽管许多学者对铜基催化剂的形貌、材料组成、表面活性等方面进行了广泛的研究，但对铜基催化剂的co2还原活性和选择性的研究较少。因此，发明一种可以选择性调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法至关重要，这不仅对原子调控方面具有指导意义，同时也对发展高性能电催化剂意义非凡。

技术实现思路

1、解决的技术问题：本申请主要是解决现有技术中存在的催化剂的活性和选择性不足等技术问题，提出铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法。

2、技术方案：

3、铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，包括以下步骤：

4、第一步，zif-8材料制备：将硝酸锌和2-甲基咪唑溶于甲醇溶液中，搅拌均匀得到混合溶液，并转移至圆底烧瓶，超声分散处理；将装有溶液的圆底烧瓶放置于磁力加热搅拌器中，充分搅拌反应，直至圆底烧瓶内出现大量白色沉淀物；将得到的沉淀物经离心、去离子水洗涤、乙醇洗涤后，置于真空燥箱干燥，自然冷却到室温，得到白色锌-咪唑骨架粉末即zif-8粉末；

5、第二步，前驱体cu2+/zn2+-nc制备：将zif-8粉末置入瓷舟中，随后将管式炉抽真空，并通入惰性气体，将管式炉升温后对zif-8粉末进行碳化处理，去除锌元素，得到具有zif-8结构的氮掺杂碳nc；在烧杯中加入硝酸铜和硝酸锌分散于异丙醇中，然后加入nc，超声使其混合均匀，放置于磁力搅拌器中，充分搅拌；将搅拌后所得产物经离心、甲醇洗涤后，置于真空干燥箱中干燥得到铜锌掺杂的黑色粉末；

6、第三步，cuzn-nc催化剂制备：将黑色粉末置入瓷舟中，随后将管式炉抽真空，并通入氩气和氢气的混合气体，将管式炉升温后对黑色粉末进行热活化处理，得到铜锌催化剂即cuzn-nc催化剂；将铜锌催化剂通过电化学工作站，在三电极体系中，施加不同的还原电位制备多碳产物。

7、作为本发明的一种优选技术方案：在所述第一步中，硝酸锌用量为6.8克；2-甲基咪唑用量为7.9克；甲醇用量为100毫升；超声时间为10～30min；磁力加热搅拌器的温度为60℃，转数为500rpm；搅拌时间12～24小时；真空烘箱的温度选为60℃，保温干燥时间12小时。

8、作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中，管式炉的升温速率设置为2～5℃/min，碳化处理的温度设置为1000℃，碳化处理设置为2～5h；惰性气体选氩气。

9、作为本发明的一种优选技术方案：所述第二步中，硝酸锌和硝酸铜的质量比分别为为0.25：0.75、0.5：0.5和0.75：0.25；异丙醇用量为5毫升；nc的用量为50毫克；超声时间为10～30min；磁力加热搅拌器的温度为60℃，磁力搅拌转数为500rpm，搅拌时间12～24小时；真空烘箱的温度为60℃，保温干燥时间12小时。

10、作为本发明的一种优选技术方案：所述第三步中管式炉的升温速率设置为2～5℃/min，热活化处理的温度设置为500℃，热活化处理时间设置为2～5h；氩气和氢气的流速比为95：5。

11、作为本发明的一种优选技术方案：所述的双金属催化剂在三电极体系中施加不同的还原电位范围为：-0.9～-2.0v vs rhe，进行电化学二氧化碳还原反应制备多碳产物，从而达到调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的效果。

12、原理解释：该发明中采用单原子催化剂具有配位键高度不饱和、活性位点分布均匀等优点。这些特性使我们能够在原子水平上精确地调整cu/zn双金属催化剂的性质。此外，氮掺杂碳载体不仅具有高导电性，而且可以与金属单原子配位，进一步增强了co2rr活性。zn(c＝1.65)具有较低的电负性，因此更倾向于将其外层电子提供给cu(c＝1.90)。zn和cu原子之间的相互作用有助于优化电子结构，从而形成吸附反应物分子和解吸反应中间体的最佳活性位点。因此，设计同时含有zn和cu的双金属活性位的单原子催化剂，将促进组分的快速变化，从而改善电子结构，提高中间体结合能，延长催化剂与*co中间体的相互作用时间，最终提co2还原产物的选择性。

13、有益效果：

14、1、本发明提出了铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，所制备的不同含量的铜锌双金属催化剂，其方法具有制备简单、易于实现控制、工艺重复性好、产品质量稳定等优点，更有利于提升催化活性。

15、2、本发明提出了铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，其中cu0.75zn0.25-nc催化剂，在进行电催化二氧化碳还原反应制备多碳产物，具有更好的多碳产物选择性和活性。在-1.1v vs rhe下，多碳产物的法拉第效率达到了65％，电流密度达到了13.91ma/cm2。而cu0.25zn0.75-nc催化剂在-1.1v vs rhe下，多碳产物的法拉第效率达到了51％，电流密度达到了6.8ma/cm2。

16、3、本发明提出了双铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，通过在原子水平上精确地调整cu/zn双金属催化剂的性质，可以选择性的获得co2还原产物，其具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，其特征在于：在所述第一步中，硝酸锌用量为6.8克；2-甲基咪唑用量为7.9克；甲醇用量为100毫升；超声时间为10～30min；磁力加热搅拌器的温度为60℃，转数为500rpm；搅拌时间12～24小时；真空烘箱的温度选为60℃，保温干燥时间12小时。

3.根据权利要求1所述的铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，其特征在于：所述第二步中，管式炉的升温速率设置为2～5℃/min，碳化处理的温度设置为1000℃，碳化处理设置为2～5h；惰性气体选氩气。

4.根据权利要求1所述的铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，其特征在于：所述第二步中，硝酸锌和硝酸铜的质量比分别为为0.25：0.75、0.5：0.5和0.75：0.25；异丙醇用量为5毫升；nc的用量为50毫克；超声时间为10～30min；磁力加热搅拌器的温度为60℃，磁力搅拌转数为500rpm，搅拌时间12～24小时；真空烘箱的温度为60℃，保温干燥时间12小时。

5.根据权利要求1所述的铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，其特征在于：所述第三步中管式炉的升温速率设置为2～5℃/min，热活化处理的温度设置为500℃，热活化处理时间设置为2～5h；氩气和氢气的流速比为95：5。

6.根据权利要求1所述的铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，其特征在于：所述的双金属催化剂在三电极体系中施加不同的还原电位范围为：-0.9～-2.0v vs rhe，进行电化学二氧化碳还原反应制备多碳产物，从而达到调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的效果。

技术总结本申请公开了铜锌催化剂调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率的方法，首先用锌‑咪唑骨架(ZIF‑8)在高温下退火得到氮掺杂碳(NC)。以NC为多孔碳载体通过添加不同含量铜锌金属离子吸附和进一步热活化处理，制备一系列铜锌催化剂可以有效的选择性调控二氧化碳还原多碳产物法拉第效率。此方法显著增加了催化中间体活性物质之间的电荷传输速率，并且提供了更高的单位面积负载量及电化学活性表面积，解决了动力学进程缓慢以及活性位点暴露低的问题。该制备方法具有设备简单、易于实现控制、工艺重复性好、产品质量稳定等优点，具有广阔的应用前景。技术研发人员：耿东生,董刚,余洪蒽受保护的技术使用者：南京信息工程大学技术研发日：技术公布日：2024/4/17