一种自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法及应用

本发明涉及一种电催化剂的制备方法及应用，尤其涉及一种自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法及应用。

背景技术：

1、电催化二氧化碳还原反应(eco2rr)是一种有效的co2转化方法，其通过可再生能源和剩余核电将大气中的二氧化碳转化成如一氧化碳、甲酸盐、碳氢化合物和醇类等有价值的燃料和化学品，同时实现电能的储存和碳循环的闭合。

2、eco2rr面临降低co2活化的能垒以及进一步的质子和电子转移过程的挑战，特别是由于多重质子和电子转移的过程，多碳产物生成缓慢，而且不可避免地要和析氢反应(her)竞争，实际应用中转化效率低。

3、因此，开发利用高效的催化剂来调控质子/电子转移过程获取所需目标产物具有重大意义。而用于粉末催化剂的聚合物粘合剂会减慢电子转移，导致反应动力学受阻。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种具有优异电化学性能的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法；

2、本发明的第二个目的是提供上述方法制得的自支撑硒化铜纳米片电催化剂作为中性条件下电催化二氧化碳还原阴极催化剂的应用。

3、技术方案：本发明所述的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将泡沫铜浸入碱和过硫酸盐的混合溶液中，使得溶液中发生金属剥离和氧化反应，得到自支撑氢氧化铜纳米带；

5、(2)将硒粉和硼氢化钠粉末混合溶解，获得硒化氢钠前体；

6、(3)将自支撑氢氧化铜纳米带与硒氢化钠前体混合，进行水热反应，所得产物即为所述自支撑硒化铜纳米片电催化剂。

7、其中，步骤(1)中，所述碱和过硫酸盐的摩尔比为19:1-20:1；更优选为20:1。

8、其中，步骤(1)中，所述泡沫铜的厚度为9-11mm；更优选为10mm。

9、其中，步骤(2)中，所述硒粉与硼氢化钠的摩尔比为4:1-5:1；更优选为5:1。

10、其中，步骤(3)中，所述水热反应的温度为175-185℃，时间为12-14h。

11、其中，步骤(1)中，所述泡沫铜经过稀盐酸和水的预处理。

12、其中，步骤(1)、(2)中，溶解所用的溶剂均为水。

13、其中，硒化铜组装纤维在三维金属骨架中的每个纳米线上都有平面纳米片阵列。

14、上述的方法制备的自支撑硒化铜纳米片电催化剂作为中性条件下电催化二氧化碳还原阴极催化剂的应用。

15、其中，将上述制备的自支撑硒化铜纳米片电催化剂进行二氧化碳转化，具体包括以下步骤：

16、(1)将上述硒化铜电催化剂加入到含有乙醇和粘结剂的混合溶液中进行超声处理，得到催化剂油墨状液体；

17、(2)取该油墨状液体缓慢滴加到经过处理的导电碳纸上，待室温干燥后形成工作电极；

18、(3)在h-型电解槽中采用三电极体系进行电化学实验测试，电解槽中加入khco3电解液；

19、(4)在不同恒电位极化测试条件下极化，每隔一定时间取一定体积的h-型电解槽中气体注射到气相色谱仪器中进行测试；结合气相色谱仪器得到的数据和电化学数据，对催化剂材料的电化学性能进行分析。

20、其中，步骤(1)中，自支撑硒化铜纳米片电催化剂为6.5-7.5mg；乙醇和粘结剂的体积分别为950μl和50μl。

21、其中，步骤(2)中，所述经过处理的导电碳纸的处理方式为将导电碳纸裁剪；优选裁剪的尺寸为1x 1.5cm2，并在一面贴上绝缘胶带以保证只留出负载部分面积的一面以便于滴加催化剂油墨状液体；优选只留出负载面积为1x 1cm2的一面以便于滴加催化剂油墨状液体。

22、其中，步骤(3)中，所述khco3电解液的浓度为0.4-0.5mol/l。

23、发明原理：本发明通过金属剥离方案制备了在泡沫铜上生长的氢氧化铜纳米带，然后利用硒氢化钠通过水热法获得自支撑硒化铜纳米片电催化剂。本发明将硒化铜2d纳米片原位组装在具有3d泡沫骨架的泡沫铜金属基底上，得到多维复合结构自支撑硒化铜电催化剂。

24、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：(1)该催化剂展现出优异的电化学性能，在-1.2v vs.rhe电压下，电催化二氧化碳转化为一氧化碳的法拉第效率高达85.6％，一氧化碳分电流密度高达12.0ma cm-2，在较宽的电位下实现了h2/co比，即0.8至6.0，实现了优异的转化频率tof，达到1303h-1，可实现远高于铜基催化剂的高法拉第效率和高一氧化碳分电流密度。(2)该催化剂可以在保证较高催化性能的同时，降低使用成本。

技术特征：

1.一种自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述碱和过硫酸盐的摩尔比为19:1-20:1。

3.根据权利要求1所述的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硒粉与硼氢化钠的摩尔比为4:1-5:1。

4.根据权利要求1所述的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述泡沫铜的厚度为9-11mm。

5.根据权利要求1所述的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述水热反应的温度为175-185℃，时间为12-14h。

6.根据权利要求1所述的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述泡沫铜经过稀盐酸和水的预处理。

7.根据权利要求1所述的自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)、(2)中，溶解所用的溶剂均为水。

8.一种权利要求1所述的方法制备的自支撑硒化铜纳米片电催化剂作为中性条件下电催化二氧化碳还原阴极催化剂的应用。

技术总结
本发明公开了一种自支撑硒化铜纳米片电催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将泡沫铜浸入碱和过硫酸盐的混合溶液中，使得溶液中发生金属剥离和氧化反应，得到自支撑氢氧化铜纳米带；(2)将硒粉和硼氢化钠粉末混合溶解，获得硒化氢钠前体；(3)将自支撑氢氧化铜纳米带与硒氢化钠前体混合，进行水热反应，所得产物即为自支撑硒化铜纳米片电催化剂。该催化剂展现出优异的电化学性能，在‑1.2V vs.RHE电压下，电催化二氧化碳转化为一氧化碳的法拉第效率高达85.6％，一氧化碳分电流密度高达12.0mA cm<supgt;‑2</supgt;，在较宽的电位下实现了H<subgt;2</subgt;/CO比，即0.8至6.0，实现了优异的转化频率TOF。

技术研发人员：胡峰,王影,郝亚楠,孙亚洁,彭生杰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12