Cu、N共掺杂刨花状催化剂及其制备方法与在CO2还原中的应用

本发明属于纳米碳材料制备，涉及cu、n共掺杂刨花状催化剂及其制备方法与在co2还原中的应用。

背景技术：

1、电化学还原二氧化碳是一种很有前途的绿色方法，可以将二氧化碳转化为可重复使用的碳。利用太阳能或风能的电力在水溶液中将co2电化学还原（co2rr）为增值燃料是减少co2排放、重新平衡碳循环和储存间歇性可再生电力的有效策略。与传统的热催化方法需要高压和高温才能引发反应不同，电化学还原反应可以在温和条件下进行，并且原则上可以实现更高的选择性。然而，在现实中，二氧化碳的多电子还原，加上碳氢化合物形成所需的加氢和碳-碳(c-c)偶联反应，使得控制特定的反应途径产生目标碳氢化合物产品变得极其困难。

2、最近的研究表明，当使用合适的催化剂时，可以实现一定程度的选择性，如在au(或ag)上电化学还原co2为co或在in (或sn，或pb)上电化学还原co2为甲酸。为了将co2转化为碳氢化合物，特别是多碳产物，需要以cu为金属活性位点催化反应。尽管进行了大量的实验和理论研究，但用于co2还原的cu基催化剂往往会发生cu纳米颗粒的团聚，提高cu纳米颗粒的分散性的实用方法仍在积极寻求。与此同时，以cu为金属活性位点进行电化学二氧化碳还原能够产生多钟碳氢化合物，而改变金属活性位点的配位环境能够有效的提高该种催化剂的选择性。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决铜纳米颗粒之间相互团聚，催化剂的活性位点利用率低，以及在电解过程中产物选择性差的问题，提供一种cu、n共掺杂刨花状碳催化剂的制备方法，应用到电化学还原二氧化碳。此方法利用碳载体孔隙的物理限制作用，利用研磨浸渍的方法将cu、n浸入孔隙中，强制分散cu纳米颗粒，以此来得到分散性良好的高利用率催化材料，提高了催化剂的催化效率。同时通过cu-n配位改变金属活性位点的配位环境，并提供吡啶氮作为活性位点显著提升了二氧化碳还原成多碳产物的转化率和选择性。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、一种cu、n共掺杂刨花状催化剂，所述的原料包括：三聚氰胺、碱式碳酸镁、二氯甲烷、沥青、醋酸铜、联吡啶。

4、本发明的另一个目的，保护上述cu、n共掺杂刨花状催化剂的制备方法，包括如下步骤：

5、(1)将研磨后的三聚氰胺和碳酸镁加入至二氯甲烷溶解的沥青中，搅拌、研磨至二氯甲烷挥发完全；将干燥后的混合物碳化；

6、(2)将步骤(1)碳化后的样品进行酸洗、离心分离、水洗、醇洗干燥，得到刨花状碳载体材料；

7、(3)将醋酸铜和联吡啶溶解于乙醇中，通过研磨浸渍的方式浸入上述步骤干燥后得到的碳载体材料中；将浸渍后的样品煅烧，煅烧后得到cu、n共掺杂刨花状催化剂。

8、优选地，所述碱式碳酸镁的用量为2.00-2.50 g。

9、优选地，所述碳化温度为700-900℃。

10、优选地，所述铜与碳载体材料的质量比为3-20 wt%。

11、本发明的另一个目的，保护上述cu、n共掺杂刨花状催化剂在二氧化碳电化学还原中的应用。

12、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

13、(1)本发明提供的cu、n共掺杂刨花状碳催化剂的制备方法中的原料价格低廉，易得，有效降低了制备成本，实验过程可调控。

14、(2)本发明的方法制得的催化剂经扫描电子显微镜表征，形貌如一片片的刨花，具有较大的比表面积和多孔结构，并且通过高倍透射电镜图片可以看到铜纳米颗粒的均匀分布，可提供更多的活性位点从而促进电催化二氧化碳还原反应的进行。

15、(3)所制备的cu、n共掺杂刨花状碳催化剂材料具有高电化学活性，在二氧化碳还原反应中表现出优异的活性，重复性高，达到本发明的目的。

技术特征：

1.一种cu、n共掺杂刨花状催化剂，其特征在于：所述的原料包括：三聚氰胺、碱式碳酸镁、二氯甲烷、沥青、醋酸铜、联吡啶。

2.一种权利要求1所述的cu、n共掺杂刨花状催化剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

3. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述碱式碳酸镁的用量为2.00-2.50 g。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述碳化温度为700-900℃。

5. 如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述铜与碳载体材料的质量比为3-20 wt%。

6.一种权利要求1所述的cu、n共掺杂刨花状催化剂在二氧化碳电化学还原中的应用。

技术总结本发明属于纳米碳材料制备技术领域，涉及Cu、N共掺杂刨花状催化剂及其制备方法与在CO<subgt;2</subgt;还原中的应用。将三聚氰胺、碱式碳酸镁和高温煤沥青混合研磨至均匀，高温碳化，冷却后酸洗处理，经离心、洗涤、干燥，得到碳载体材料。后续将醋酸铜和联吡啶溶解于乙醇中，通过浸渍的方式将铜浸入碳载体的孔隙中，煅烧后得到Cu、N共掺杂刨花状催化剂。其形貌大小均一，具有较高的比表面积；其中铜纳米颗粒均匀分散，并与吡啶氮形成特殊的配位结构。得益于上述结构，避免了铜纳米颗粒之间的团聚现象，可提供更多的活性位点从而促进电催化二氧化碳还原反应的进行，具有较高电化学活性，在二氧化碳还原反应中表现出优异的催化活性，且选择性、稳定性高。技术研发人员：孙蔷,石腾,钟荣椿受保护的技术使用者：东北大学技术研发日：技术公布日：2024/6/23