一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备及其电催化CO2还原应用

本发明涉及电催化剂，特指一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，属于电催化材料的制备方法，具体应用方向为电催化还原二氧化碳。

背景技术：

1、随着传统不可再生能源(煤、石油、天然气等)的不断消耗，开发可持续和可再生能源转换技术以解决迫在眉睫的能源危机和环境问题已成为近年来最重要的挑战之一。利用清洁电力驱动的二氧化碳电还原(co2rr)转化为增值化工原料是一种有吸引力的近零排放方法，可以促进人工碳循环。

2、铜基催化剂作为一种独特的金属催化剂，能够将二氧化碳转化为各种具有高附加价值的化合物。其中由于c2h4具有较高的工业价值而备受关注。然而，c2h4产物形成过程复杂，涉及多个中间体和质子耦合电子转移反应，普通的铜基催化剂面临产品选择性差、电子转移效率低、活性位点有限和商业化生产成本高等致命缺点，这严重限制了其在电催化还原二氧化碳领域的应用。因此进一步开发低成本、高催化性能、优异稳定性的催化剂，成为新能源领域急需解决的问题。

3、近年来，优化cu基催化剂的工作主要集中在形貌控制、掺杂工程和合金化方面。尽管多次尝试，铜基电催化高效生产c2h4的选择性仍有缺陷。随后，广泛的研究表明，cu+的存在比cu和cu2+的存在更有利于c2h4的形成。然而，在eco2rr过程中，由于高负电位，cu+不断被还原为cu0，导致催化剂的活性和稳定性不理想。因此，稳定催化剂中的cu+位点对于高效生成c2h4至关重要。

4、al作为一种典型的亲氧性金属由于其稳定的结构、独特的性质以及廉价易得被人们关注，并逐步应用于电催化二氧化碳还原领域。许多研究表明，通过设计合理的实验方案，将铜基材料和亲氧性金属结合是提高电催化二氧化碳还原效率的一种实用的方法。因此，合成具有合适掺杂比例的铜基金属氧化物对eco2rr性能至关重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备及其电催化co2还原应用，针对现有铜基氧化物催化材料催化反应过程中催化反应位点高度不稳定的缺点，在合成过程中以cu-bdc为基底，利用离子交换和高温煅烧的方法，获得铝掺杂氧化铜电催化剂；该电极引入亲氧性的金属元素铝，调节催化剂内部电子结构，稳定铜基氧化物中的氧组分，表现出优异的电化学性能和稳定性能，且涉及的制备方法简单，成本较低；可用于新能源以及催化剂等领域，具有较高的实用性和经济性。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，包括以下制备步骤：

3、(1)称取一定量的氢氧化锂以及对苯二甲酸置于一定量的去离子水和dmf中，常温磁力搅拌分散，形成均匀混合物a；

4、(2)取一定量硝酸铜溶于水，搅拌均匀形成溶液b；

5、(3)混合a、b两种溶液，剧烈搅拌反应至完全；将离心分离后所得产物水处理一定时间后，再进行离心分离，洗涤、干燥即可得cu-bdc前驱体；

6、(4)称取一定量的硝酸铝置于去离子水中搅拌均匀，形成溶液c；

7、(5)取步骤(3)中所得cu-bdc前驱体置于去离子水中，搅拌均匀形成溶液d；

8、(6)混合c、d两种溶液，剧烈搅拌反应至完全；将所得产物离心分离、洗涤、干燥即可得al-cuo中间体；

9、(7)向坩埚里加入一定量的al-cuo中间体，放入管式炉中，以一定的升温速度加热到一定温度，保持一定时间，即可得到铝掺杂氧化铜纳米颗粒。

10、进一步的，步骤(1)所述氢氧化锂的用量为24mmol，对苯二甲酸为12mmol，dmf的用量为25ml，去离子水的用量为25ml。

11、进一步的，步骤(2)所述硝酸铜用量为5mmol，去离子水的用量为20ml。

12、进一步的，步骤(3)所述搅拌时间为2.5-3.5h，水处理的时间为1h。

13、进一步的，步骤(4)所述硝酸铝的用量为1-30mmol，去离子水的用量为10ml。

14、进一步的，步骤(5)所述cu-bdc的用量为100mg，去离子水用量为40ml。

15、进一步的，步骤(6)所述搅拌时间为1.5-2.5h。

16、进一步的，步骤(7)所述al-cuo中间体用量为100mg；煅烧温度为500℃，升温速度为5℃/min；煅烧温度保持时间为3h。

17、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

18、本发明采用离子交换和煅烧法制备电催化剂，具有处理条件温和、反应时间短、能耗低、环境友好的特点，适用于大批量生产，具有一定的应用前景。

19、本发明与现有技术相比，其显著优点：构筑铝掺杂氧化铜电催化剂相比于其他同类型的铜基氧化物类催化剂，具有更加稳定的反应活性位点，更快的电子转移速率，更多暴露的可接近的反应活性位点，并具有更高的电催化二氧化碳转化效率；其次，本发明的铝掺杂氧化铜电催化剂操作过程简单方便，重复性好，可控性强，绿色环保，合成条件温和，有利于大规模制备和应用。

技术特征：

1.一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：

2.根据权利要求1所述的一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氢氧化锂的用量为24mmol，对苯二甲酸为12mmol，dmf的用量为25ml，去离子水的用量为25ml。

3.根据权利要求1所述的一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述硝酸铜用量为5mmol，去离子水的用量为20ml。

4.根据权利要求1所述的一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述搅拌时间为2.5-3.5h，水处理的时间为1h。

5.根据权利要求1所述的一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述硝酸铝的用量为1-30mmol，去离子水的用量为10ml。

6.根据权利要求1所述的一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(5)所述cu-bdc的用量为100mg，去离子水用量为40ml。

7.根据权利要求1所述的一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述搅拌时间为1.5-2.5h。

8.根据权利要求1所述的一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(7)所述al-cuo中间体用量为100mg；煅烧温度为500℃，升温速度为5℃/min；煅烧温度保持时间为3h。

技术总结本发明公开了一种铝掺杂氧化铜电催化剂的制备及其电催化CO2还原应用，涉及电催化材料的制备方法技术领域。本发明以Cu‑BDC为基底，通过离子置换反应负载金属Al，再经过高温煅烧得到铝掺杂氧化铜催化剂；本发明制备的催化剂在‑2.2V至‑2.6V的宽电位窗口中实现了电催化二氧化碳转化成乙烯的较高的法拉第效率，表现出较为出色的电催化活性；此外，本发明绿色环保，发明中所用原料皆为廉价易得品，处理时间短，反应温和，能耗低，具有很高的应用价值和很好的应用前景。技术研发人员：许晖,杨小凡,王照龙,佘小杰,吴中秋,袁俊杰受保护的技术使用者：江苏大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18