一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法
阅读说明：本技术 一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法 (Preparation method of nitrogen-doped graphene-loaded nuclear shell-shaped copper-carbon composite catalyst for producing formic acid through carbon dioxide electrocatalysis ) 是由 冯玉杰 李达 田妍 吴晶 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法,本发明涉及氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法。本发明要解决现有多孔碳负载金属催化剂存在着产物选择性差且稳定性低的问题。方法：一、配置前驱溶液；二、水热反应；三、清洗烘干；四、产物碳化。本发明用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备。(The invention discloses a preparation method of a nitrogen-doped graphene-loaded nuclear shell-shaped copper-carbon composite catalyst for producing formic acid by carbon dioxide electrocatalysis, and relates to a preparation method of a nitrogen-doped graphene-loaded nuclear shell-shaped copper-carbon composite catalyst. The invention aims to solve the problems of poor product selectivity and low stability of the existing porous carbon supported metal catalyst. The method comprises the following steps: firstly, preparing a precursor solution; secondly, carrying out hydrothermal reaction; thirdly, cleaning and drying; fourthly, carbonizing the product. The method is used for preparing the nitrogen-doped graphene-loaded nuclear shell-shaped copper-carbon composite catalyst for producing formic acid by carbon dioxide electrocatalysis.)
技术领域
本发明涉及氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法。
背景技术
人类工业化及城镇化进程的加快对各类燃料的需求与日俱增，而燃料燃烧排放的CO2导致全球“温室效应”不断加剧，由此导致能源危机和环境污染的双重问题日益严峻。作为一种储量丰富的含碳资源，CO2的有效利用不仅能缓解大气环境中的CO2浓度，从而减轻其温室效应，而且也能缓解日益短缺的资源短缺危机。由于CO2分子很稳定，需要外加较高的能量使之活化，导致大气中的CO2被有效利用的不足5.5％。因此，寻找高效的转化途径，构建合理的转化方法引发了全球的关注。相比于生物法及光催化法，电化学催化还原CO2可在常温常压下实现。该方法操作简便、易于控制，通过改变电解条件即可有效控制产物的选择。因此，设计合成高效、稳定及具有高度选择性的催化剂是电还原CO2反应的关键，也是当前该领域的研究重点和难点。铜基金属有机框架材料(Cu_MOF)因其比表面积较大、孔隙率较高、孔径尺寸可调节及结构可裁等诸多优点使其成为良好的前驱体模板，由此制备的多孔碳负载金属催化剂被用于CO2的催化研究。然而，该类催化剂对甲酸的选择性较差，产物中往往伴随着小分子醇的产生，且稳定性低(通常低于10h)的显著缺点。
发明内容
本发明要解决现有多孔碳负载金属催化剂存在着产物选择性差且稳定性低的问题，而提供一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法。
一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、配置前驱溶液：
将氮掺杂还原氧化石墨烯加入到N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中充分分散，然后加入Cu(NO3)2·3H2O继续搅拌至完全溶解，得到混合溶液；将苯并咪唑溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到苯并咪唑溶液；将均苯三甲酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到均苯三甲酸溶液；
所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O的浓度为2.5mg/mL～3.0mg/mL；所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O与氮掺杂还原氧化石墨烯的质量比为1:(0.1～0.3)；所述的苯并咪唑溶液中苯并咪唑的浓度为10mg/mL～15mg/mL；所述的均苯三甲酸溶液中均苯三甲酸的浓度为1.0mg/mL～1.5mg/mL；
二、水热反应：
将混合溶液与苯并咪唑溶液混合并搅拌至呈现亮蓝色，再将均苯三甲酸溶液加入其中继续混合搅拌，得到前驱体溶液，将前驱体溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在温度为80℃～100℃的恒温条件下，进行水热反应5h～8h，得到氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱体；
所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与苯并咪唑的质量比为1:(3～5)；所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸的质量比为1:(0.7～1.0)；
三、清洗烘干：
将氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱体离心后，利用无水乙醇清洗数次后置于真空干燥箱中烘干，得到干燥后的产品；
四、产物碳化：
将干燥后的产品置于管式炉中并通入高纯Ar气体，以升温速率为1℃/min～5℃/min的条件下，将温度升温至700℃～1000℃，并在温度为700℃～1000℃的条件下，煅烧3h～8h，得到氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用简单的水热合成法制备氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱体，在经过高温碳化法制备氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，有效的提高了催化剂的电化学活性。
2、本发明引入氮掺杂石墨烯，与Cu2O/[email protected]催化剂相比，氮掺杂石墨烯的引入不仅可以分散有效金属位点，从而使催化剂的电化学活性表面积提高4.3倍，达到47.2mF/cm2，而且使电荷转移内阻降至3.91Ω，降低了48.8％；此外催化剂对CO2的吸附量提高了2.3倍，达到0.95mmol/g，从而显著提高了Cu催化剂电催化还原CO2活性。氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂对二氧化碳还原产甲酸法拉第效率高达82.9％，甲酸的合成速率达到430.2mg/L/h/m2。
3、本发明制备的氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂具有很好的稳定性，在连续电解30h后，甲酸的法拉第电流效率仍维持在73％以上。
本发明用于一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法。
附图说明
图1为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂的扫描电子显微镜图，A为八面体Cu2O/[email protected]，B为Cu粒子，C为氮掺杂石墨烯；
图2为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂在氮气和二氧化碳情况下测试得到的LSV图，图中A为在氮气条件下得到的LSV曲线，B为在二氧化碳条件下的LSV曲线；
图3为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂在氮气和二氧化碳情况下测试得到的LSV图，图中A为在氮气条件下得到的LSV曲线，B为在二氧化碳条件下的LSV曲线；
图4为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中电解1小时的产甲酸法拉第效率图，a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂；
图5为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中电解1小时的产甲酸速率图，a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂；
图6为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中电流随扫速的线性拟合图；a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂；
图7为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中奈奎斯特图谱；a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂；
图8为催化剂对CO2的吸附曲线；a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂；
图9为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂的稳定性测试曲线，1为电流密度，2为法拉第效率。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式为一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、配置前驱溶液：
将氮掺杂还原氧化石墨烯加入到N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中充分分散，然后加入Cu(NO3)2·3H2O继续搅拌至完全溶解，得到混合溶液；将苯并咪唑溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到苯并咪唑溶液；将均苯三甲酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到均苯三甲酸溶液；
所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O的浓度为2.5mg/mL～3.0mg/mL；所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O与氮掺杂还原氧化石墨烯的质量比为1:(0.1～0.3)；所述的苯并咪唑溶液中苯并咪唑的浓度为10mg/mL～15mg/mL；所述的均苯三甲酸溶液中均苯三甲酸的浓度为1.0mg/mL～1.5mg/mL；
二、水热反应：
将混合溶液与苯并咪唑溶液混合并搅拌至呈现亮蓝色，再将均苯三甲酸溶液加入其中继续混合搅拌，得到前驱体溶液，将前驱体溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在温度为80℃～100℃的恒温条件下，进行水热反应5h～8h，得到氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱体；
所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与苯并咪唑的质量比为1:(3～5)；所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸的质量比为1:(0.7～1.0)；
三、清洗烘干：
将氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱体离心后，利用无水乙醇清洗数次后置于真空干燥箱中烘干，得到干燥后的产品；
四、产物碳化：
将干燥后的产品置于管式炉中并通入高纯Ar气体，以升温速率为1℃/min～5℃/min的条件下，将温度升温至700℃～1000℃，并在温度为700℃～1000℃的条件下，煅烧3h～8h，得到氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂。
本具体实施方式以石墨烯为载体通过负载Cu2O/[email protected]构建的复合催化剂可显著提高催化剂的电催化性能。石墨烯的使用可以分散金属催化位点，杂原子的掺杂可提高整个复合催化剂的导电性及对CO2分子的吸附作用，Cu2O/[email protected]作为催化位点在氮掺杂石墨烯的作用下提高对CO2分子的活化，二者的协同作用提高了复合催化剂的催化作用。
本实施方式的有益效果是：1、本实施方式采用简单的水热合成法制备氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱体，在经过高温碳化法制备氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，有效的提高了催化剂的电化学活性。
2、本实施方式引入氮掺杂石墨烯，与Cu2O/[email protected]催化剂相比，氮掺杂石墨烯的引入不仅可以分散有效金属位点，从而使催化剂的电化学活性表面积提高4.3倍，达到47.2mF/cm2，而且使电荷转移内阻降至3.91Ω，降低了48.8％；此外催化剂对CO2的吸附量提高了2.3倍，达到0.95mmol/g，从而显著提高了Cu催化剂电催化还原CO2活性。氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂对二氧化碳还原产甲酸法拉第效率高达82.9％，甲酸的合成速率达到430.2mg/L/h/m2。。
3、本实施方式制备的氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂具有很好的稳定性，在连续电解30h后，甲酸的法拉第电流效率仍维持在73％以上。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的氮掺杂还原氧化石墨烯具体是按以下步骤制备的：将氧化石墨烯粉末加入到去离子水中，然后加入尿素并转移至反应釜中，在温度为150℃～200℃的条件下，反应3h～8h，得到氮掺杂还原氧化石墨烯；所述的氧化石墨烯粉末的质量与去离子水的体积比为1mg:(1～5)mL；所述的氧化石墨烯粉末与尿素的质量比1:(20～40)。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤四中所述的高纯Ar气体纯度为99.99％。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中N,N-二甲基甲酰胺与乙醇的体积比为1:(0.5～2.0)。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中置于真空干燥箱中烘干具体为置于温度为60℃的真空干燥箱中烘干。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O的浓度为2.7mg/mL～3.0mg/mL；步骤一中所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O与氮掺杂还原氧化石墨烯的质量比为1:(0.2～0.3)；步骤一中所述的苯并咪唑溶液中苯并咪唑的浓度为11.2mg/mL～15mg/mL；步骤一中所述的均苯三甲酸溶液中均苯三甲酸的浓度为1.2mg/mL～1.5mg/mL。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中将混合溶液与苯并咪唑溶液混合并搅拌至呈现亮蓝色，再将均苯三甲酸溶液加入其中继续混合搅拌，得到前驱体溶液，将前驱体溶液转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在温度为90℃～100℃的恒温条件下，进行水热反应6h～8h，得到氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱体。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与苯并咪唑的质量比为1:(4.2～5)；步骤二中所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸的质量比为1:(0.88～1.0)。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤四中以升温速率为2℃/min～5℃/min的条件下，将温度升温至800℃～1000℃。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中在温度为800℃～1000℃的条件下，煅烧5h～8h。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种用于二氧化碳电催化产甲酸的氮掺杂石墨烯负载核壳状铜-碳复合催化剂的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、配置前驱溶液：
将氮掺杂还原氧化石墨烯加入到N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中充分分散，然后加入Cu(NO3)2·3H2O继续搅拌至完全溶解，得到混合溶液，将苯并咪唑溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到苯并咪唑溶液，将均苯三甲酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到均苯三甲酸溶液；
所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O的浓度为2.7mg/L；所述的混合溶液中Cu(NO3)2·3H2O与氮掺杂还原氧化石墨烯的质量比为1:0.2；所述的苯并咪唑溶液中苯并咪唑的浓度为11.2mg/L；所述的均苯三甲酸溶液中均苯三甲酸的浓度为1.2mg/L；
二、水热反应：
将混合溶液与苯并咪唑溶液混合后搅拌至呈现亮蓝色，再将均苯三甲酸溶液加入其中继续混合搅拌，得到前驱体溶液，将前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，在温度为90℃的恒温条件下，进行水热反应6h，得到氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱；
所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与苯并咪唑的质量比为1:4.2；所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸的质量比为1:0.88；
三、清洗烘干：
将氮掺杂石墨烯负载的Cu_MOF前驱离心后，利用无水乙醇清洗数次后置于温度为60℃的真空干燥箱中烘干，得到干燥后的产品；
四、产物碳化：
将干燥后的产品置于管式炉中并通入高纯Ar气体，以升温速率为2℃/min的条件下，将温度升温至800℃，并在温度为800℃的条件下，煅烧5h，得到氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂。
步骤一中所述的氮掺杂还原氧化石墨烯具体是按以下步骤制备的：将50mg氧化石墨烯粉末加入到100mL去离子水中，然后加入1.5g尿素，并转移至反应釜中，在温度为180℃的条件下，反应5h，得到氮掺杂还原氧化石墨烯。
步骤四中所述的高纯Ar气体纯度为99.99％。
步骤一中所述的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中N,N-二甲基甲酰胺与乙醇的体积比为1:1。
利用普林斯顿电化学工作站对实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂进行电化学性质测试，以通入氮气饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液或通入二氧化碳饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液作为电解质溶液，测试结果如图2所示，图2为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂在氮气和二氧化碳情况下测试得到的LSV图，图中A为在氮气条件下得到的LSV曲线，B为在二氧化碳条件下的LSV曲线。通过两种条件下的对比可知，在二氧化碳饱和的电解液中得到的电流密度高于氮气条件下所对应的电流密度。说明实施例一得到的氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂对二氧化碳还原具有一定的还原作用。
图1为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂的扫描电子显微镜图，A为八面体Cu2O/[email protected]，B为Cu粒子，C为氮掺杂石墨烯；由图可知，石墨烯表面及夹层中生长有八面体Cu_MOF，经碳化后Cu_MOF仍然维持其原有的八面体结构。这些MOF颗粒呈现典型的核壳结构，每个碳核中包含几个若干个Cu纳米粒子，粒径范围为40～200nm。由此可知，氮掺杂石墨烯的使用可以有效分散金属位点。
对比实验：它是按照以下步骤进行的：
一、配置前驱溶液：
将Cu(NO3)2·3H2O加入到N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中充分分散，得到Cu(NO3)2·3H2O溶液，将苯并咪唑溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到苯并咪唑溶液，将均苯三甲酸溶解于N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中搅拌至溶解，得到均苯三甲酸溶液；
所述的Cu(NO3)2·3H2O溶液中Cu(NO3)2·3H2O的浓度为2.7mg/L；所述的苯并咪唑溶液中苯并咪唑的浓度为11.2mg/L；所述的均苯三甲酸溶液中均苯三甲酸的浓度为1.2mg/L；
二、水热反应：
将Cu(NO3)2·3H2O溶液与苯并咪唑溶液混合后搅拌至混合液呈现亮蓝色，再将均苯三甲酸溶液加入其中继续混合搅拌，得到前驱体溶液，将前驱体溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中进行水热反应，在温度为90℃的条件下，反应6h，得到前驱体；
所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与苯并咪唑的质量比为1:4.2；所述的前驱体溶液中Cu(NO3)2·3H2O与均苯三甲酸的质量比为1:0.88；
三、清洗烘干：
将前驱体离心后，利用无水乙醇清洗数次后置于温度为60℃的真空干燥箱中烘干，得到干燥后的产品；
四、产物碳化：
将干燥后的产品置于管式炉中并通入高纯Ar气体，以升温速率为2℃/min的条件下，将温度升温至800℃，并在温度为800℃的条件下，煅烧5h，得到核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂。
步骤四中所述的高纯Ar气体纯度为99.99％。
步骤一中所述的N,N-二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶液中N,N-二甲基甲酰胺与乙醇的体积比为1:1。
利用普林斯顿电化学工作站对对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂进行电化学性质测试，以通入氮气饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液或通入二氧化碳饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液作为电解质溶液，测试结果如图3所示，图3为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂在氮气和二氧化碳情况下测试得到的LSV图，图中A为在氮气条件下得到的LSV曲线，B为在二氧化碳条件下的LSV曲线。通过两种条件下的对比可知，在二氧化碳饱和的电解液中得到的电流密度高于氮气条件下所对应的电流密度。说明对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂对二氧化碳还原具有一定的还原作用。
且通过图2与图3对比可知，在施加电位相同情况下，实施例一得到的催化剂的电流密度较高，即氮掺杂石墨烯的使用有效提高了核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂的电化学活性。
以实施例一及对比实验得到的催化剂作为工作电极，铂片作为对电极，氯化银作为参比电极，在-1.4V电位下电解1小时，经产物分析并计算得到的二氧化碳还原产甲酸法拉第效率，如图4所示。图4为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中电解1小时的产甲酸法拉第效率图，a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂。由图可知，实施例一得到的氮掺杂石墨烯负载的核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂对二氧化碳还原产甲酸法拉第效率高达82.9％，较对比实验提高了61.1％。
图5为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中电解1小时的产甲酸速率图，a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂。由图可知，与对比实验相比，甲酸的合成速率达到430.2mg/L/h/m2，提高了2.9倍。
图6为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中电流随扫速的线性拟合图；a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂。由图可知，实施例一的电化学活性表面积为47.2mF/cm2，与对比实验相比，提高了4.3倍。
图7为催化剂在CO2饱和的0.1mol/L碳酸氢钾溶液中奈奎斯特图谱；a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂。由图可知，实施例一的电荷转移内阻为3.91Ω，与对比实验相比，降低了48.8％。
图8为催化剂对CO2的吸附曲线；a为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂，b为对比实验制备的核壳结构Cu2O/[email protected]催化剂。由图可知，实施例一在相对压力为1时对CO2的吸附量为0.95mmol/g，与对比实验相比，提高了2.3倍。
图9为实施例一制备的氮掺杂石墨烯负载核壳结构Cu2O/[email protected]复合催化剂的稳定性测试曲线，1为电流密度，2为法拉第效率。由图可知，该复合催化剂具有很好的稳定性，在连续电解30h后，甲酸的法拉第电流效率仍维持在73％以上。