一种泡沫铜负载铁电催化剂及其制备方法和应用

本发明属于生物质电化学转化催化材料，尤其涉及一种泡沫铜负载铁电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、5-羟甲基糠醛（hmf）是极具开发价值的生物基平台化合物，通过电化学还原可转化为高附加值产物2,5-呋喃二甲醇（bhmf），该路线绿色清洁、反应条件温和，是生物质资源化利用更符合可持续发展理念的路径。当前hmf电还原催化剂存在以下挑战：

2、1、高性能催化剂多依赖ag、rh、ru等贵金属，原料成本高昂，难以规模化应用；

3、2、hmf分子易发生分子间聚合生成二聚副产物bhh，bhmf选择性普遍偏低；

4、3、析氢反应（her）竞争剧烈，现有催化剂电流密度普遍低于-50 ma cm-2，反应动力学差。

5、cu基材料凭借其成本低廉与优异的hmf转化性能，已成为当前hmf还原领域应用最为广泛的金属催化剂，然而现有体系多与贵金属配合，且通常电流密度较低，难以满足大规模工业化应用的需求，与此同时，纯过渡金属催化剂的相关研究仍较为有限。因此，开发一种低成本、非贵金属能够在较低电位下高效电催化hmf还原的催化剂具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有贵金属催化剂成本高、非贵金属催化剂电流密度低、bhmf选择性差、析氢副反应严重、制备工艺复杂等缺陷，本发明提出了一种泡沫铜负载铁电催化剂及其制备方法和应用。该催化剂无需贵金属、形貌均匀、低价态金属占比高，可大幅降低hmf电还原反应活化能，在大电流密度下保持高bhmf选择性与循环稳定性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种泡沫铜负载铁电催化剂的制备方法，步骤如下：

4、s1.将泡沫铜基底进行预处理；

5、s2.将铁盐和尿素溶解于无水乙醇中，配制成前驱体溶液；

6、s3.将步骤s1预处理后的泡沫铜基底浸没于步骤s2配制的前驱体溶液中，进行溶剂热反应；

7、s4.反应结束后，取出产物进行清洗和干燥，得到所述泡沫铜负载铁电催化剂。

8、可选的，步骤s1中，所述预处理包括依次使用盐酸、丙酮、无水乙醇和去离子水对泡沫铜进行超声清洗，然后烘干。

9、可选的，步骤s2中，所述铁盐为九水硝酸铁，所述九水硝酸铁与尿素的摩尔比为2:5。

10、可选的，步骤s3中，所述溶剂热反应的温度为120℃，反应时间为12小时。

11、可选的，步骤s4中，所述干燥的条件为60 ℃恒温干燥过夜。

12、一种泡沫铜负载铁电催化剂，包括泡沫铜基底和原位生长在所述泡沫铜基底表面的铁基纳米片活性层；

13、所述铁基纳米片活性层包括铁元素，所述铁元素以fe2+和fe3+的价态共存，其中fe2+和fe3+的摩尔比为1.21；

14、所述泡沫铜基底中的铜元素以cu0、cu+和cu2+的价态共存。

15、可选的，所述泡沫铜基底中的cu0与cu2+的摩尔比为2.21。

16、可选的，所述泡沫铜负载铁电催化剂表面富含羟基氧活性位点，所述羟基氧占总氧含量的38.57wt%。

17、上述泡沫铜负载铁电催化剂在电催化还原5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醇中的应用。

18、可选的，所述电催化还原反应在碱性电解液中进行，所述电解液包含1 m koh和20mm的5-羟甲基糠醛。

19、可选的，所述电催化还原反应的恒电位为-0.35 v vs. rhe。

20、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

21、1.成本低廉，无贵金属：本发明仅采用价格较低的硝酸铁、泡沫铜为原料，无需ag、ru、rh贵金属，制备原料易得，工业化成本低；

22、2.制备工艺简单高效：本发明采用一步溶剂热法，无需多步沉积、高温煅烧、表面活性剂改性，反应条件温和，可批量制备；

23、3.电催化活性优异：本发明制备的催化剂在低电位下实现-50 ma cm-2高电流密度，反应活化能仅10.44 kj/mol，动力学性能优异；

24、4.目标产物选择性高：本发明制备的催化剂可以有效抑制析氢与hmf二聚副反应，最优电位下bhmf选择性＞91%；

25、5.循环稳定性强：三次循环电解后催化活性无明显衰减，纳米片结构不坍塌、元素无大量流失，使用寿命长；

26、6.适配工业碱性电解体系：电解液仅采用koh与hmf，体系简单，产物bhmf易于分离提纯，适配生物质电催化转化工业化生产。

1.一种泡沫铜负载铁电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种泡沫铜负载铁电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述预处理包括依次使用盐酸、丙酮、无水乙醇和去离子水对泡沫铜进行超声清洗，然后烘干。

3.根据权利要求1所述的一种泡沫铜负载铁电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述铁盐为九水硝酸铁；所述九水硝酸铁与尿素的摩尔比为2:5。

4.根据权利要求1所述的一种泡沫铜负载铁电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s3中，所述溶剂热反应的温度为120℃，反应时间为12小时。

5.根据权利要求1所述的一种泡沫铜负载铁电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤s4中，所述干燥的条件为60 ℃恒温干燥过夜。

6.一种泡沫铜负载铁电催化剂，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述的制备方法制备得到。

7.如权利要求6所述的泡沫铜负载铁电催化剂在电催化还原5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醇中的应用。

8.根据权利要求7所述的泡沫铜负载铁电催化剂在电催化还原5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醇中的应用，其特征在于，所述电催化还原反应在碱性电解液中进行，所述电解液包含1 m koh和20 mm的5-羟甲基糠醛。

9.根据权利要求7所述的泡沫铜负载铁电催化剂在电催化还原5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲醇中的应用，其特征在于，所述电催化还原反应的电位为-0.35 v vs. rhe。