本發(fā)明屬于納米顆粒制備，具體涉及一種銅粉轉(zhuǎn)化為尺寸和晶面可控的銅納米顆粒的方法及其在電催化還原二氧化碳領(lǐng)域的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、由于森林砍伐和工業(yè)革命對(duì)化石燃料的過(guò)度開(kāi)采，大氣中的二氧化碳濃度已從277ppm上升到今天的創(chuàng)紀(jì)錄的400ppm以上，預(yù)計(jì)到2100年，該值將達(dá)到600ppm，大大超過(guò)350ppm的安全閾值，并造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，如全球變暖、荒漠化和物種滅絕。因此，為了克服溫室效應(yīng)，人們投入了大量精力開(kāi)發(fā)不同的二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種方法(例如，生物、熱化學(xué)、電化學(xué)和光化學(xué)轉(zhuǎn)化)，使用二氧化碳作為碳源，通過(guò)電化學(xué)合成具有高價(jià)值燃料/化學(xué)品(例如co、ch4、hcooh、c2h4和c2h5oh)。同時(shí)，通過(guò)電化學(xué)co2還原(ecr)合成碳產(chǎn)物也引發(fā)了研究人員較大的興趣，因?yàn)槠湓谀K化、緊湊、靈活化和可擴(kuò)展的裝置中，在環(huán)境溫度和壓力下通過(guò)整合可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐能)產(chǎn)生的電能即可實(shí)現(xiàn)co2電合成。

2、銅催化劑在將二氧化碳電還原生產(chǎn)碳?xì)浠衔锖蚦2+含氧化合物方面具有獨(dú)特的性能，其對(duì)中間體*co的吸附能為負(fù)，對(duì)*h的吸附能為正，因此傾向于將co2還原成碳?xì)浠衔锖痛碱惍a(chǎn)物，這幾十年來(lái)一直吸引著科學(xué)家們來(lái)研究。目前，當(dāng)使用銅基催化劑時(shí)，co2電還原已能夠在電流密度高達(dá)1a?cm-2的條件下電化學(xué)合成c2+產(chǎn)物，但是使用cu催化劑用作ecr仍然具有許多挑戰(zhàn)，例如選擇性差、電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)緩慢、電流密度較小和穩(wěn)定性較差等。

3、材料的尺寸和形狀直接決定了ecr中電催化劑活性位點(diǎn)的數(shù)量，現(xiàn)有研究普遍認(rèn)為，催化劑的尺寸越小，其在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)暴露更多的活性位點(diǎn)，因此，較小的電催化劑通常表現(xiàn)出更好的催化活性；除了尺寸調(diào)節(jié)外，控制各種金屬納米結(jié)構(gòu)和形狀來(lái)調(diào)節(jié)催化過(guò)程中暴露的活性位點(diǎn)和特定的晶面是另一種調(diào)控催化活性的有效手段，例如在銅催化劑中，反應(yīng)過(guò)程暴露不同的晶面直接會(huì)影響催化的選擇性，當(dāng)其暴露晶面為(111)晶面時(shí)，主要的催化產(chǎn)物為ch4，而當(dāng)暴露的晶面為(100)晶面時(shí)，主要的催化產(chǎn)物則轉(zhuǎn)變成c2h4。

4、用于電催化還原二氧化碳的銅基材料主要是單質(zhì)銅、氧化銅、氧化亞銅或含有銅組份的合金材料。目前制備銅基材料催化劑的方法所使用的原材料大多是含有銅元素的金屬鹽或含銅的模板，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的污染，另外，現(xiàn)今制備銅基材料的方法中大多需要諸如氫氧化鈉、尿素等沉淀劑的參與，反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜多變、反應(yīng)條件較為苛刻、設(shè)備需求較為嚴(yán)格，且制備的催化劑材料并不可以同時(shí)達(dá)到尺寸和晶面同時(shí)可控的效果。

5、綜上，現(xiàn)有制備銅基材料的方法大多工藝復(fù)雜或?qū)υO(shè)備及原材料要求較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述現(xiàn)有制備方法所存在的不足之處，本發(fā)明提供了尺寸和晶面可控的銅納米顆粒的制備方法，旨在使其擁有優(yōu)異的電催化還原二氧化碳產(chǎn)乙烯性能。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種尺寸和晶面可控的銅納米顆粒的制備方法，其特征在于：以商業(yè)銅粉為前驅(qū)體，通過(guò)超聲和電化學(xué)還原，可將商業(yè)銅粉轉(zhuǎn)化為尺寸和晶面均可控的銅納米顆粒。具體方法為：

4、將商業(yè)銅粉分散于超聲溶液中形成分散液；對(duì)所得分散液進(jìn)行超聲處理，收集超聲處理后的樣品，可得到所需尺寸的銅納米顆粒；然后對(duì)所得納米顆粒進(jìn)行電化學(xué)還原處理，即可獲得所需晶面的銅納米顆粒。

5、進(jìn)一步地，所述超聲的功率為400w、超聲時(shí)間為8～20h。

6、進(jìn)一步地，所述電化學(xué)還原的電位為(-0.1)～(-1.0)v?vs.rhe，還原時(shí)間為0-40min。

7、進(jìn)一步地，所述商業(yè)銅粉與所述超聲溶液的用量比為0.1～1000mg：100ml。

8、進(jìn)一步地，所述超聲溶液n-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)、n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、異丙醇(ipa)、乙醇及水等液體中的一種或多種的混合液。

9、與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

10、1、與以往銅納米顆粒制備方法相比較，本發(fā)明提及的方法通過(guò)控制超聲時(shí)間調(diào)控銅納米顆粒的尺寸，不同尺寸的銅納米顆粒在電化學(xué)還原后暴露不同的晶面，從而可以實(shí)現(xiàn)尺寸和晶面的同時(shí)控制。

11、2、本發(fā)明所制備的銅納米顆粒可在電催化還原二氧化碳反應(yīng)中作為催化劑應(yīng)用，有著優(yōu)異的性能，其產(chǎn)生乙烯的催化活性很高，商業(yè)銅粉產(chǎn)生乙烯的最大法拉第效率僅為24％，同時(shí)乙烯部分電流密度僅為～0.023a?cm-2，而本發(fā)明制備的銅納米顆粒產(chǎn)生乙烯的最大法拉第效率可達(dá)到80％，且乙烯部分電流密度可以達(dá)到～1.1a?cm-2。

12、3、本發(fā)明提供了一種新型制備尺寸和晶面可控的銅納米顆粒的方法，可以將商業(yè)銅粉直接轉(zhuǎn)化為一種尺寸和晶面可控的銅納米顆粒，且原料來(lái)源廣泛、方法簡(jiǎn)單，為后續(xù)制備不同尺寸和晶面的銅納米顆粒提供了新的思路。

技術(shù)特征：

1.一種尺寸和晶面可控的銅納米顆粒的制備方法，其特征在于：以商業(yè)銅粉為前驅(qū)體，通過(guò)超聲和電化學(xué)還原，將商業(yè)銅粉轉(zhuǎn)化為尺寸和晶面均可控的銅納米顆粒。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：通過(guò)控制超聲時(shí)間調(diào)控銅納米顆粒的尺寸，不同尺寸的銅納米顆粒在電化學(xué)還原后暴露不同的晶面，從而實(shí)現(xiàn)尺寸和晶面的同時(shí)控制。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：所述超聲的功率為400w、超聲時(shí)間為8～20h。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于：所述電化學(xué)還原的電位為-0.1～-1.0v?vs.rhe，還原時(shí)間為0-40min。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述商業(yè)銅粉與所述超聲溶液的用量比為0.1～1000mg：100ml。

7.一種權(quán)利要求1～6中任意一項(xiàng)所述制備方法所制得的尺寸和晶面可控的銅納米顆粒。

8.一種權(quán)利要求7所述銅納米顆粒在電催化還原二氧化碳反應(yīng)中作為催化劑的應(yīng)用。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的應(yīng)用，其特征在于：用于電催化還原二氧化碳產(chǎn)乙烯。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種尺寸和晶面可控的銅納米顆粒的制備方法及其應(yīng)用，是以商業(yè)銅粉為前驅(qū)體，通過(guò)調(diào)控超聲時(shí)間然后結(jié)合電化學(xué)還原，得到一種尺寸和晶面可控且擁有優(yōu)異電催化性能的銅納米顆粒。本發(fā)明提供的方法原料來(lái)源廣泛、操作簡(jiǎn)單，所制備的銅納米顆粒不僅可以得到特定的尺寸和晶面，還可在電催化還原二氧化碳反應(yīng)中作為催化劑應(yīng)用，其乙烯產(chǎn)物的催化活性和選擇性與普通銅催化劑相比，均有較大提升。

技術(shù)研發(fā)人員：王巖,王家銳,吳玉程,張劍芳,余翠平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6