一种二维C3N4负载Cu单原子催化剂及其电催化CO2还原应用
本发明涉及电催化剂，具体为一种二维c3n4负载cu单原子催化剂及其电催化co2还原应用，属于电催化材料的制备方法。
背景技术：
1、随着世界经济快速发展，能源消耗急剧增长，人们对不可再生能源过度依赖，使得传统不可再生能源储量迅速降低，大气中二氧化碳含量不断增加，导致了严重的环境问题。电化学co2还原反应(eco2rr)是一种很有前途的解决方案，可以缓解导致全球变暖的大气中过量co2浓度，实现碳循环。其中，甲烷(ch4)具有最高的燃烧热(55.5mj/kg)，并以天然气的形式提供了全球能源24％，使eco2rr制ch4过程成为在全球范围内实现碳循环的有效方法。然而，eco2rr是一个涉及多电子、多步骤和竞争反应的复杂过程，导致目标产物的选择性较低。因此，高效电催化剂对于选择性co2还原具有重要意义。
2、迄今为止，铜(cu)基材料是唯一能够以中等反应速率将co2电化学还原为碳氢化合物和醇类的候选材料，如甲烷(ch4)和乙烯(c2h4)等。但是由于它的宽产物分布，需要通过有效的电子和几何结构的调制来定向调控活性cu位点。最近，密度泛函理论(dft)计算的尺寸依赖于eco2rr性能的金属铜簇显示，较低的原子簇(≈13个原子)有利于ch4的产生，这些d带中心的上移与尺寸减小，提高*co和*h中间体的结合能。同时金属位点与支撑基体之间的电子调控作用已被证明可以调节金属原子的电子结构，从而影响关键中间体的吸附行为。因此，迫切需要一种理想的基底材料，既能稳定单个铜原子，又能有效增强电子调控效果。二维材料具有极高的横向面积厚度比、丰富的表面缺陷及活性键位点丰富，能够增强电催化活性。因此，设计精确调控原子结构及金属密度的催化剂对提高eco2rr制ch4的选择性尤为重要。
技术实现思路
1、本发明的目的在于是通过定向调控cu活性位点来提高eco2rr制ch4的选择性，采用两步热解法制备一种二维c3n4负载cu单原子催化剂(cusa/2d c3n4)。
2、为实现上述发明目的，主要采用以下技术方案：一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，所述催化剂的具体制备方法为：
3、(1)称取一定量硝酸铜、二氰二胺及水放入烧杯中搅拌一段时间后放入坩埚，在马弗炉中以一定的升温速率加热到一定温度，保温一段时间；
4、(2)将步骤(1)所制备的样品继续放于马弗炉中一定的升温速率加热到一定温度，保温一段时间，然后用酸刻蚀，水洗干燥，即可得到一种二维c3n4负载cu单原子催化剂。
5、进一步的，所述步骤(1)的硝酸铜质量为0～1g，二氰二胺的质量为4～6g，水的体积为5～15ml。
6、进一步的，所述步骤(1)搅拌的时间为1～2h。
7、进一步的，所述步骤(1)升温速度为4～6℃/min，温度为400～600℃，保温时间为3～5h。
8、进一步的，所述步骤(2)升温速度为5～15℃/min，温度为400～600℃，保温时间为10～30min。
9、进一步的，所述步骤(2)酸刻蚀时间为10～13h。
10、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明，
11、本发明使用两步热解法制备电催化剂，合成过程简单，适合大规模生产，具有较广阔的应用前景。
12、本发明与现有技术相比，其显著优点：所制备的cusa/2d c3n4电催化剂具有高度分散的cu单原子，并且得益于2d c3n4独特的结构特性、丰富的表面化学性质和可调的电子性能，使得cusa/2d c3n4能够增强中间体的稳定及活化，提供高金属位点暴露并协同调节cu单原子配位环境。从而提高eco2rr制ch4的性能。同时本发明的热解法操作简单，产量大，有利于大规模生产。
技术特征：
1.一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，其特征在于，所述催化剂由硝酸铜和二氰二通过两步热解法制成cusa/2d c3n4电催化剂；
2.根据权利要求1所述的一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，其特征在于，所述步骤(1)的硝酸铜质量为0～1g，二氰二胺的质量为4～6g，水的体积为5～15ml。
3.根据权利要求1所述的一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，其特征在于，所述步骤(1)搅拌的时间为1～2h。
4.根据权利要求1所述的一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，其特征在于，所述步骤(1)升温速度为4～6℃/min，温度为400～600℃，保温时间为3～5h。
5.根据权利要求1所述的一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，其特征在于，所述步骤(2)升温速度为5～15℃/min，温度为400～600℃，保温时间为10～30min。
6.根据权利要求1所述的一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，其特征在于，所述步骤(2)酸刻蚀时间为10～13h。
7.根据权利要求1所述的一种二维c3n4负载cu单原子催化剂，其特征在于，所述二维c3n4负载cu单原子催化剂在co2电催化还原成ch4的应用。
技术总结
本发明公开了一种二维C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;负载Cu单原子催化剂及其电催化CO<subgt;2</subgt;还原应用。本发明通过两步热解法将硝酸铜和二氰二胺制成CuSA/2D C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;电催化剂，该催化剂在CO<subgt;2</subgt;还原成CH<subgt;4</subgt;的过程中表现出优异的活性。此外，本技术提供了一种从廉价原料中简单制备Cu单原子的方法，反应条件温和，合成步骤简单，具有广阔的应用前景。
技术研发人员：佘小杰,易思宇,王照龙,吴中秋,莫曌,许晖
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23