一種鈀銅二元合金納米材料、其制備方法及其作為催化劑電催化還原CO2的應用與流程

本發明涉及一種鈀銅二元合金納米材料、其制備方法及其作為催化劑電催化還原CO₂的應用。

背景技術：

二氧化碳作為溫室氣體的主要成分，對環境的影響一直受各國政府的重視。目前，煤炭是我國使用最廣泛的一次能源，如何科學控制二氧化碳的排放成為可持續發展的重要保證。同時，經濟的增長急需有可再生能源的補給，二氧化碳作為廉價豐富的原料有著令人矚目的發展前景。近年來，隨著氣候變暖及能源危機的日益加劇，CO₂的捕集及轉化已引起國際社會的廣泛關注，已成為各界關注和研究的熱點。

利用電化學還原方法對二氧化碳（CO₂）進行還原再利用具有許多優點，其反應可在常溫常壓條件下進行；反應過程具有可控性；電解質可回收，不會造成二次污染。而且還原CO₂時所使用的電能可以利用新能源發電，所以能源具有清潔性。因此利用電催化還原的方法將CO₂轉化成可利用的能源小分子，不僅能緩解全球氣候變暖的問題，還能減少人類對化石燃料的依賴。

然而，現有技術中，CO₂電催化還原技術尚存在諸多不足：CO₂還原反應動力學性能較差、反應的過電位較大、對電能的利用率較低、工作電極的穩定性不夠等等。

因此，獲得高催化活性，同時具有較高的選擇性和穩定性的新型催化劑，是CO₂電催化還原技術發展的關鍵。

技術實現要素：

本發明的發明目的是提供一種鈀銅二元合金納米材料、其制備方法及其作為催化劑電催化還原CO₂的應用。

為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是：一種鈀銅二元合金納米材料，其粒徑平均范圍在3~5納米，其粒徑分布為小于10納米；該鈀銅二元合金納米材料的制備方法如下：

取氯鈀酸鈉溶液和氯化銅溶液，加入活性炭，加入高純水，充分混合均勻后加入硼氫化鈉溶液，冰水浴反應，反應完成后，洗滌、干燥，即可得到所述鈀銅二元合金納米材料。

上文中，所述鈀銅二元合金納米材料是屬于一種碳載型的Pd-Cu合金納米材料，采用水相的硼氫化鈉法合成。

上述技術方案中，所述氯鈀酸鈉溶液的摩爾濃度為1~2 mol/L，所述氯化銅溶液的摩爾濃度為1~2 mol/L，氯鈀酸鈉和氯化銅的摩爾比為1：1~2。

上述技術方案中，所述高純水為高純三次水。

上述技術方案中，所述充分混合均勻的方式為：先用超聲處理20~40分鐘，然后攪拌至少3小時。

上述技術方案中，所述氯鈀酸鈉、氯化銅和硼氫化鈉三者的摩爾比為1：1~2：1~3。

本發明同時請求保護一種鈀銅二元合金納米材料的制備方法，取氯鈀酸鈉溶液和氯化銅溶液，加入活性炭，加入高純水，充分混合均勻后加入硼氫化鈉溶液，冰水浴反應，反應完成后，洗滌、干燥，即可得到所述鈀銅二元合金納米材料。

上述技術方案中，所述氯鈀酸鈉溶液的摩爾濃度為1~2 mol/L，所述氯化銅溶液的摩爾濃度為1~2 mol/L，氯鈀酸鈉和氯化銅的摩爾比為1：1~2。

上述技術方案中，所述高純水為高純三次水。

上述技術方案中，所述充分混合均勻的方式為：先用超聲處理20~40分鐘，然后攪拌至少3小時。

上述技術方案中，所述氯鈀酸鈉、氯化銅和硼氫化鈉三者的摩爾比為1：1~2：1~3。

本發明同時請求保護一種鈀銅二元合金納米材料作為催化劑用于電催化還原CO₂的應用。使用該催化劑可以高效地將CO₂轉化為甲酸及天然氣（包括甲烷、一氧化碳、氫氣及少量的乙烷、乙烯等碳氫化合物），方法簡便，成本低廉，效果明顯。

由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點：

1．本發明設計了鈀銅二元合金納米材料，其可以作為催化劑用于電催化還原CO₂；使用該催化劑可以高效地將CO₂轉化為甲酸及天然氣（包括甲烷、一氧化碳、氫氣及少量的乙烷、乙烯等碳氫化合物），方法簡便，成本低廉，效果明顯；將CO₂轉化為具有高附加值的化學品，顯然，這對于環境保護和資源利用都具有重要的現實意義；

2．本發明的鈀銅二元合金納米材料用于二氧化碳還原的電催化劑時，轉化效果好，對甲酸和甲烷的轉化效率高，且可以在水相、常溫、常壓條件下完成轉換，具有非常高的實際應用價值；本申請的鈀銅二元合金催化劑對甲酸和甲烷的合并轉化效率最高可達70%以上，取得了意想不到技術效果；

3．本發明的制備方法簡單，易于實現，適于推廣應用。

附圖說明

圖1是本發明實施例一中鈀銅二元合金納米材料的TEM圖。

圖2是本發明實施例一中鈀銅二元合金納米材料作為催化劑的能譜圖。

圖3是本發明實施例一中鈀銅二元合金納米材料作為催化劑XRD圖。

圖4是本發明實施例一中鈀銅二元合金納米材料作為催化劑對CO₂的還原的產物的氣相色譜圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明作進一步描述：

實施例一

一種鈀銅二元合金納米材料的制備方法，采用硼氫化鈉還原的方法，具體操作步驟如下：取氯鈀酸鈉溶液和氯化銅溶液（兩者的摩爾比為1:1），加入100 mg活性炭，加入少量高純三次水，超聲30分鐘，然后攪拌4小時，加入10毫升硼氫化鈉溶液，冰水浴反應1小時，用高純水洗滌，置于50℃真空干燥12小時，即制得所述的納米鈀銅材料。

圖1是本發明實施例一中鈀銅二元合金納米材料的TEM圖，從圖中可以看出，該鈀銅二元合金納米材料的粒徑平均范圍在3~5納米，其粒徑分布為小于10納米。

圖2是鈀銅二元合金納米材料作為催化劑的能譜圖。圖3是鈀銅二元合金納米材料作為催化劑XRD圖。

然后將上述制得的鈀銅二元合金納米材料作為催化劑用于電催化還原CO₂；參見圖4，為還原的產物的氣相色譜圖，由圖可見，本發明的鈀銅二元合金納米材料用于二氧化碳還原的電催化劑時，對甲酸和甲烷的轉化效率高，對甲酸和甲烷的合并轉化效率最高可達70%以上，取得了意想不到技術效果。

上述實施例僅為本發明的優選實施方式，不能依此來限定本發明保護的范圍，本領域的技術人員在本發明的基礎上所做的任何非實質性的變化及替換均屬于本發明所要求保護的范圍。