低维纳米材料光电催化性能的理论研究
发布时间：2021-10-08 07:09
氨（NH3）不仅是应用于各种领域的重要化学原料,同时也是潜在的无碳储能中间体。因此,将自然中丰富的氮源（N2）转化为NH3是极其必要的反应。当前,在温和条件下进行N2的电催化还原有望实现NH3的绿色、可持续生产。但设计和开发出高催化活性和高选择性的新型电催化剂是该领域面临的关键问题。此外,能源短缺和全球变暖现已严重威胁到现代社会的未来发展。因此将CO2转化为其他高附加值的碳基原料及燃料被视为最彻底、最根本的解决方案。然而在CO2还原领域中,当前绝大多数的研究成果都集中于高效率、高选择性、低能耗的将CO2转化为低附加值的一氧化碳（CO）。因此,进一步将CO光催化还原为高附加值的多碳化学品,对实现理想的碳循环及太阳能储存至关重要。在本论文中,我们通过密度泛函理论（DFT）计算,评估了一系列单原子催化剂及立方磷化硼（BP）和砷化硼（BAs）对氮还原反应（NRR）的电催化性能,以及单个B原子掺杂单层C2
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
通过质子耦合-电子转移的NRR反应路径，包括解离路径、远端和交替缔合路径，以及酶促路径[2]
哈尔滨师范大学硕士学位论文4虽然当前电催化固氮领域已经取得了重大进展，但是开发出新型高效、高选择性的（抑制氢析副反应）NRR电催化剂仍然是一个巨大的挑战。图1-2（a）N2与过渡金属原子键合的简化示意图。（b）纯B原子和sp3轨道杂化的B原子的核外电子排布，sp3轨道杂化的B原子会形成四个sp3杂化轨道，包含三个半充满轨道和一个空轨道。（c）N2与固定在基底上的B原子的结合示意图[19]。Fig.1-2(a)SimplifiedschematicofN2bondingtotransitionmetals.(b)ElectronicconfigurationofpureBatomandBatomwithsp3hybridization.sp3hybridizationofBwillresultinfoursp3hybridorbitals,wherethreeofthemarehalffilledandtherestoneisempty.(c)N2bindingmotifstotheBatomwhichisstabilizedonthesubstrate.[19]1.3一氧化碳还原反应简介1.3.1CO2RR的研究背景从工业革命开始，化石燃料的大量燃烧导致大气中的CO2浓度上升。这些排放的CO2将太阳能困在地球大气当中，引发全球的气候变暖。如果不加以遏制，预计地球温度将比工业化前高出4°C。全球变暖将造成极地海冰消融、海平面上升、地球生物多样性丧失、以及热浪和强降雨等极端气候灾害，严重阻碍全球的可持续发展。为了应对温室效应所带来的灾害，于2015年在巴黎举行的全球气候变化峰会同意采取必要措施，将本世纪的气温上升限制在2摄氏度之内[21]。因此，为了将全球变暖限制在可控水平，迫切需要寻找到有效方法来降低全球CO2排放量。在所有的可行方案当中，通过光、电化学CO2还原反应（CO2RR）将CO2转化为增值的碳基产品，实现理想的能量与碳循环，被视为最佳的解决方案[22,23]。CO2的还原产物路径如图1-3所示[21]，根据还原反应过程中转移的电子数目，
第1章绪论5CO2RR可以产生多达16种不同的气体和液体产物，具有广泛的产物选择性范围。其中，许多的高效CO2RR催化剂易获得两电子的还原产物，如一氧化碳（CO）和甲酸盐（HCOO-，或酸性介质中的甲酸，HCOOH）。而甲醇（CH3OH）、甲烷（CH4）、乙醇（C2H5OH）、乙烯（C2H4）和丙醇（C3H8O）等多电子转移产物的选择性较低。此外，除了分散的碳基产物外，析氢反应（HER）是CO2RR过程中主要的竞争副反应，主要原因在于电解液中的质子更容易和电子结合生成H2。图1-3二氧化碳还原产物的反应途径[21]。Fig.1-3DifferentproposedpathwaysforCO2RRproducts.[21]1.3.2CO还原反应的优势与前景迄今为止，已经开发出许多高效的光、电催化剂用于CO2还原。当前，通过CO2还原可低成本、高效率、高选择性（即法拉第效率）的制备C1产物，如一氧化碳（CO）和甲酸盐（HCOO-），它们具有相对较低的价值和能量密度[24-27]。然而由于C-C耦合过程的过电位较大、选择性很低，因此很难收获到高附加值的多碳产物（Cn，n≥2）。考虑到CO是一种越来越多的低成本原料，且可以从CO2还原中受益，因此进一步将CO作为初始原料还原为其他高价值的化学品（CORR）是CO2直接还原的有效替代策略[28]。值得注意的是，在CO2还原成Cn产物期间，CO是C-C耦合的关键中间体之一。直接用高浓度的CO作初始反应物可以极大地促进C-C耦合过程。此外，CO
【参考文献】：
期刊论文
[1]Atomically dispersed Au1 catalyst towards efficient electrochemical synthesis of ammonia[J]. Xiaoqian Wang,Wenyu Wang,Man Qiao,Geng Wu,Wenxing Chen,Tongwei Yuan,Qian Xu,Min Chen,Yan Zhang,Xin Wang,Jing Wang,Jingjie Ge,Xun Hong,Yafei Li,Yuen Wu,Yadong Li. Science Bulletin. 2018(19)
[2]Single-atom heterogeneous catalysts based on distinct carbon nitride scaffolds[J]. Zupeng Chen,Evgeniya Vorobyeva,Sharon Mitchell,Edvin Fako,Nuúria López,Sean M.Collins,Rowan K.Leary,Paul A.Midgley,RolAND Hauert,Javier Pérez-Ramírez. National Science Review. 2018(05)
本文编号：3423668
【文章来源】：哈尔滨师范大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
通过质子耦合-电子转移的NRR反应路径，包括解离路径、远端和交替缔合路径，以及酶促路径[2]
哈尔滨师范大学硕士学位论文4虽然当前电催化固氮领域已经取得了重大进展，但是开发出新型高效、高选择性的（抑制氢析副反应）NRR电催化剂仍然是一个巨大的挑战。图1-2（a）N2与过渡金属原子键合的简化示意图。（b）纯B原子和sp3轨道杂化的B原子的核外电子排布，sp3轨道杂化的B原子会形成四个sp3杂化轨道，包含三个半充满轨道和一个空轨道。（c）N2与固定在基底上的B原子的结合示意图[19]。Fig.1-2(a)SimplifiedschematicofN2bondingtotransitionmetals.(b)ElectronicconfigurationofpureBatomandBatomwithsp3hybridization.sp3hybridizationofBwillresultinfoursp3hybridorbitals,wherethreeofthemarehalffilledandtherestoneisempty.(c)N2bindingmotifstotheBatomwhichisstabilizedonthesubstrate.[19]1.3一氧化碳还原反应简介1.3.1CO2RR的研究背景从工业革命开始，化石燃料的大量燃烧导致大气中的CO2浓度上升。这些排放的CO2将太阳能困在地球大气当中，引发全球的气候变暖。如果不加以遏制，预计地球温度将比工业化前高出4°C。全球变暖将造成极地海冰消融、海平面上升、地球生物多样性丧失、以及热浪和强降雨等极端气候灾害，严重阻碍全球的可持续发展。为了应对温室效应所带来的灾害，于2015年在巴黎举行的全球气候变化峰会同意采取必要措施，将本世纪的气温上升限制在2摄氏度之内[21]。因此，为了将全球变暖限制在可控水平，迫切需要寻找到有效方法来降低全球CO2排放量。在所有的可行方案当中，通过光、电化学CO2还原反应（CO2RR）将CO2转化为增值的碳基产品，实现理想的能量与碳循环，被视为最佳的解决方案[22,23]。CO2的还原产物路径如图1-3所示[21]，根据还原反应过程中转移的电子数目，
第1章绪论5CO2RR可以产生多达16种不同的气体和液体产物，具有广泛的产物选择性范围。其中，许多的高效CO2RR催化剂易获得两电子的还原产物，如一氧化碳（CO）和甲酸盐（HCOO-，或酸性介质中的甲酸，HCOOH）。而甲醇（CH3OH）、甲烷（CH4）、乙醇（C2H5OH）、乙烯（C2H4）和丙醇（C3H8O）等多电子转移产物的选择性较低。此外，除了分散的碳基产物外，析氢反应（HER）是CO2RR过程中主要的竞争副反应，主要原因在于电解液中的质子更容易和电子结合生成H2。图1-3二氧化碳还原产物的反应途径[21]。Fig.1-3DifferentproposedpathwaysforCO2RRproducts.[21]1.3.2CO还原反应的优势与前景迄今为止，已经开发出许多高效的光、电催化剂用于CO2还原。当前，通过CO2还原可低成本、高效率、高选择性（即法拉第效率）的制备C1产物，如一氧化碳（CO）和甲酸盐（HCOO-），它们具有相对较低的价值和能量密度[24-27]。然而由于C-C耦合过程的过电位较大、选择性很低，因此很难收获到高附加值的多碳产物（Cn，n≥2）。考虑到CO是一种越来越多的低成本原料，且可以从CO2还原中受益，因此进一步将CO作为初始原料还原为其他高价值的化学品（CORR）是CO2直接还原的有效替代策略[28]。值得注意的是，在CO2还原成Cn产物期间，CO是C-C耦合的关键中间体之一。直接用高浓度的CO作初始反应物可以极大地促进C-C耦合过程。此外，CO
【参考文献】：
期刊论文
[1]Atomically dispersed Au1 catalyst towards efficient electrochemical synthesis of ammonia[J]. Xiaoqian Wang,Wenyu Wang,Man Qiao,Geng Wu,Wenxing Chen,Tongwei Yuan,Qian Xu,Min Chen,Yan Zhang,Xin Wang,Jing Wang,Jingjie Ge,Xun Hong,Yafei Li,Yuen Wu,Yadong Li. Science Bulletin. 2018(19)
[2]Single-atom heterogeneous catalysts based on distinct carbon nitride scaffolds[J]. Zupeng Chen,Evgeniya Vorobyeva,Sharon Mitchell,Edvin Fako,Nuúria López,Sean M.Collins,Rowan K.Leary,Paul A.Midgley,RolAND Hauert,Javier Pérez-Ramírez. National Science Review. 2018(05)
本文编号：3423668
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