本發明涉及催化劑制備,具體涉及一種cu基導電沸石分子篩及其制備方法和應用。
背景技術:
1、電催化co2還原(eco2r)技術因其反應條件溫和、能源來源靈活、產物多樣且環境友好,在碳捕獲與利用領域中展現出重要潛力。該技術通常在常溫常壓下進行,無需高溫高壓設備,兼具安全性與成本優勢;可利用太陽能、風能等間歇性可再生能源驅動反應,實現綠色化學轉化;并能夠將co2直接轉化為一氧化碳、甲酸、甲烷、乙烯和乙醇等高附加值化學品和燃料。在eco2r過程中,催化劑的作用至關重要。在眾多催化劑體系中,銅基催化劑因其對多種反應中間體具備適宜的吸附能力而獨具優勢,能夠有效促進co2向多種高附加值碳氫化合物的轉化。因此,發展高效、穩定的銅基催化劑,已成為實現co2電化學還原并合成高附加值化學品的關鍵研究方向。
2、然而,當前銅基催化劑的發展仍面臨關鍵性技術瓶頸:一方面,由于對不同反應中間體吸附能之間存在線性約束關系,導致其對特定產物的催化選擇性難以顯著提升;另一方面,高活性cu位點在反應過程中容易發生遷移和團聚,造成活性衰減,制約了催化體系的長期運行穩定性。沸石分子篩基催化劑憑借其結構優勢,為突破上述瓶頸提供了理想平臺:其一,其規整有序的孔道結構可用于精準調控cu活性位點的電子結構與微環境,從而優化關鍵中間體的吸附行為;其二,高孔隙率的骨架有利于反應物與產物的傳質,有效提升多相界面反應動力學;更重要的是,剛性骨架能夠有效錨定cu物種,抑制其遷移團聚,保障催化劑在長期反應中的結構完整性與活性穩定性。以硅鋁磷酸鹽分子篩sapo-11為例,其富鋁的al-p-o-si骨架通過br?nsted酸與lewis酸雙活性位點的協同作用,與co2分子形成偶極相互作用,顯著增強co2吸附能力并穩定關鍵反應中間體。但是沸石分子篩導電性能有限,限制了其在電催化領域的應用。
3、因此,亟需研發一種cu基導電沸石分子篩,在優化沸石分子篩孔道結構的同時,還兼具優異的電子傳導能力,實現材料導電性與催化性能的協同優化。
技術實現思路
1、鑒于背景技術中存在的技術問題,本發明提供了一種cu基導電沸石分子篩及其制備方法和應用,旨在解決電催化co2反應中cu基催化劑選擇性和穩定性不佳的技術問題。
2、第一方面,本發明提供一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,包括以下步驟:
3、s1、將鋁源、有機硅源、磷源、模板劑和銅鹽混合研磨后,加入hf混勻,置于水熱釜中進行晶化反應,反應后的產物經過離心、洗滌、干燥、煅燒處理得到納米級孔道限域cuo@sapo-11分子篩;
4、s2、將納米級孔道限域cuo@sapo-11分子篩置于化學氣相沉積反應裝置中,通入惰性氣體,升溫至400~600℃;再通入有機碳源,升溫至800~1000℃進行化學氣相沉積反應,得到cu基導電沸石分子篩c-cu@sapo-11。
5、第二方面,本發明提供一種cu基導電沸石分子篩,由第一方面所述的制備方法制備得到。
6、第三方面,本發明提供一種cu基導電沸石分子篩在電催化二氧化碳還原中的應用。
7、與現有技術相比,本發明的有益效果為:
8、本發明提供的cu基導電沸石分子篩c-cu@sapo-11,通過系統調控硅源種類并引入少量hf,可顯著提升sapo-11的結晶度與bet比表面積,同時實現其顆粒尺寸從微米級突破至納米級,在孔道中引入限域cuo物種后,材料仍能保持良好的結晶性與形貌完整性。采用化學氣相沉積(cvd)法在cuo@sapo-11表面包覆導電碳層,在未破壞sapo-11分子篩拓撲結構的前提下,顯著提升材料的電子導電性,并同步實現了孔道內cuo納米團簇的原位還原,生產金屬cu納米團簇。
9、本發明提供的cu基導電沸石分子篩c-cu@sapo-11具有優異的電催化co2還原性能,催化活性、碳氫產物法拉第效率以及穩定性均得到了提升。特別是在大面積的mea器件中,整體器件可以穩定維持長達1000小時,展現了優異的實際應用潛力。
1.一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,包括以下步驟:
2.根據權利要求1所述的一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,所述晶化反應的溫度為150℃~250℃,反應時間為12~36h。
3.根據權利要求1所述的一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,所述煅燒的溫度為500~700℃,煅燒的時間為6~12h。
4.根據權利要求1所述的一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,所述鋁源包括氧化鋁、偏鋁酸鈉、擬薄水鋁石、硫酸鋁和硝酸鋁中的任意一種;
5.根據權利要求1所述的一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,所述鋁源、有機硅源、磷源、模版劑、銅鹽、hf的摩爾比為(10~15):(2~3):(10~12):(10~12):1:(2~3)。
6.根據權利要求1所述的一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,所述有機碳源包括正己烷、環己烷、丙烷、丁烷中的至少一種。
7.根據權利要求1所述的一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,所述有機碳源與cuo@sapo-11分子篩的質量比為(5~20):1。
8.根據權利要求1所述的一種cu基導電沸石分子篩的制備方法,其特征在于,所述化學氣相沉積反應的時間為2~6h。
9.一種cu基導電沸石分子篩,其特征在于,由權利要求1~8任一所述的cu基導電沸石分子篩的制備方法制備得到。
10.如權利要求9所述的cu基導電沸石分子篩在電催化二氧化碳還原反應中的應用。