异元素掺杂的Cu基催化剂制备及其电化学性质研究
发布时间：2021-06-14 12:45
电化学由于具有绿色、环保可操作性强等优势,在许多领域有着广泛的应用。新型环境污染治理（水处理、CO2治理）、新能源（锂电池、燃料电池）、生命医学（电化学发光法、电化学传感器）,电化学技术蓬勃发展给上述领域带来许多潜在的技术革命。如何能快速推广上述新型领域的发展,离不开相关电化学技术的研究,特别是选择合适的电极材料变得尤为重要。在金属基纳米材料中,铜（Cu）基纳米材料由于低廉的成本、优异的化学性能被广泛研究,但电化学转化过程中Cu基催化剂具有小的比表面积、低的活性位点不利于界面电荷的转移,阻碍了材料的发展。因此,本文针对异元素掺杂Cu基催化剂制备及其电化学性能做了研究,具体工作如下:1.N、Pd掺杂的Cu3PdN纳米晶（NCs）合成及其在电催化还原CO2的应用:利用液相合成法成功地制备了Cu3PdN NCs,并应用于电催化还原CO2反应中,随着Pd与N的掺杂,催化剂的电化学活性表面积（ECSA）增加,其中Cu3PdN NCs的活性中心数量增加最多,气相产物主...
【文章来源】：内蒙古师范大学内蒙古自治区
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二氧化碳循环过程与可再生能源和电化学相结合[6,24]
内蒙古师范大学硕士学位论文4的Cu纳米粒子涂覆表面具有较高的CO2还原效率（包括CH4、C2H4和CO）。另外，唐伟等人[33]发现相比于光滑的多晶Cu，粗糙多晶Cu表现出优异的催化性能可能与折射率低的小晶界面表面拥有数量多的可协调位点有关，对于CO2还原反应暴露出了更多的活性位点。Palmore等[34]探究出一种新型的电极结构，产物甲酸有低的起始电位，而且法拉第效率也高于相关报道值，但产物还检测出了有少量的乙烷和丙烯。与多晶材料相比，使用纳米催化剂材料可以降低过电位并有效提高电催化性能。纳米尺度的Cu材料不仅提供大量的活性位点，而且能有效调控中间产物以及反应物吸附能力（见图1-3）。Mueller等人通过对不同纳米晶体和表面结构的Cu纳米线[35]在低电位下还原CO2为CO进行了研究，绘制了高表面积Cu纳米线结构-性质的关系，并利用Cu纳米线还原为CO的反应途径进行了DFT计算来作进一步解释，确定在过电位为-0.5V（相比于可逆氢电极，vs.RHE）下，（110）及（100）晶面是反应的活性中心。另有Nilsson等人[36]制备Cu立方块纳米结构生成了乙烯和甲烷，说明纳米结构表面已被证明能大大提高不同催化剂的活性和选择性。此外，Buonsanti等人[37]通过合成不同尺寸下的立方形Cu纳米晶调控了C2产物的选择性，其中尺寸为44nm的立方体Cu纳米晶对乙烯的选择性最高，法拉第效率为41%，这一结果表明了（100）平面边缘点的最佳比例对于最大限度地提高CO2还原活性和乙烯选择性是至关重要的。图1-2多晶Cu的表面经过（a）电抛光表面，（b）Cu纳米粒子涂覆表面，（c）溅射镀膜的扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope,SEM）形貌图像，（d）及三者在CO2饱和溶液下电化
第一章绪论5学还原产物的法拉第效率图[33]Fig.1-2SEMpatternsofpolycrystallinecopperthrough(a)electropolishedsurface,(b)coppernanoparticlecoveredsurface,(c)sputteredsurface,(d)andfaradayefficiencyoftheelectrochemicalreductionproductsofthethreeinCO2saturatedsolution[33]图1-3不同类型的Cu纳米线[35]，Cu立方块[36]的SEM形貌图像Fig.1-3SEMpatternsofdifferenttypesofCoppernanowires[35],Coppercubes[36]自从Cu电极被研究以来，便有不少科研工作者尝试对Cu基材料进行氧化的研究。Yeo等[38]制备出的Cu2O电化学还原CO2产物为C2H4，法拉第效率可达20%。Cuenya课题组[39]发现离子体活化的氧化铜表现出多碳化合物的选择性，原因是反应过程中Cu+亚表层氧物种的存在。除此之外，证明电解质中碱金属离子对等离子体活化的CuO催化剂反应性能的影响。Cu金属虽然是当下能够催化CO2生成碳氢化合物的唯一金属，然而早期研究的Cu材料都是在-1.0V（vs.RHE）或高于其值的电位下进行。因此，进一步掌握在低电位下还原CO2的活性中心及反应机理是非常重要的。1.3.1.2CuM合金介于纯Cu低的还原性能，越来越多的研究人员开始对Cu基合金进行研究与开发（见图1-4）。合金化材料被认为可以提高CO2还原催化性能和选择性。例如，Watanabe等人[40]在1991年就开始将Cu合金金属电极用于还原CO2，发现Cu-Ni、Cu-Sn、Cu-Pb等合金有高活性，而Cu-Ag、Cu-Cd等催化性能却较差。近几年，朱文静等人[41]利用一锅法合成Pd-Cu合金催化剂，通过调节Cu与Pd的组分比就可以调控产物的形貌。结果表明由于合金化的作用，树枝状Pd3Cu催化剂在-0.7V至-1.3V的电位窗口内实现高CO电流密度，且在-1.3V处部分电流密度达到商业Pd/C催化剂?
本文编号：3229859
【文章来源】：内蒙古师范大学内蒙古自治区
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二氧化碳循环过程与可再生能源和电化学相结合[6,24]
内蒙古师范大学硕士学位论文4的Cu纳米粒子涂覆表面具有较高的CO2还原效率（包括CH4、C2H4和CO）。另外，唐伟等人[33]发现相比于光滑的多晶Cu，粗糙多晶Cu表现出优异的催化性能可能与折射率低的小晶界面表面拥有数量多的可协调位点有关，对于CO2还原反应暴露出了更多的活性位点。Palmore等[34]探究出一种新型的电极结构，产物甲酸有低的起始电位，而且法拉第效率也高于相关报道值，但产物还检测出了有少量的乙烷和丙烯。与多晶材料相比，使用纳米催化剂材料可以降低过电位并有效提高电催化性能。纳米尺度的Cu材料不仅提供大量的活性位点，而且能有效调控中间产物以及反应物吸附能力（见图1-3）。Mueller等人通过对不同纳米晶体和表面结构的Cu纳米线[35]在低电位下还原CO2为CO进行了研究，绘制了高表面积Cu纳米线结构-性质的关系，并利用Cu纳米线还原为CO的反应途径进行了DFT计算来作进一步解释，确定在过电位为-0.5V（相比于可逆氢电极，vs.RHE）下，（110）及（100）晶面是反应的活性中心。另有Nilsson等人[36]制备Cu立方块纳米结构生成了乙烯和甲烷，说明纳米结构表面已被证明能大大提高不同催化剂的活性和选择性。此外，Buonsanti等人[37]通过合成不同尺寸下的立方形Cu纳米晶调控了C2产物的选择性，其中尺寸为44nm的立方体Cu纳米晶对乙烯的选择性最高，法拉第效率为41%，这一结果表明了（100）平面边缘点的最佳比例对于最大限度地提高CO2还原活性和乙烯选择性是至关重要的。图1-2多晶Cu的表面经过（a）电抛光表面，（b）Cu纳米粒子涂覆表面，（c）溅射镀膜的扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope,SEM）形貌图像，（d）及三者在CO2饱和溶液下电化
第一章绪论5学还原产物的法拉第效率图[33]Fig.1-2SEMpatternsofpolycrystallinecopperthrough(a)electropolishedsurface,(b)coppernanoparticlecoveredsurface,(c)sputteredsurface,(d)andfaradayefficiencyoftheelectrochemicalreductionproductsofthethreeinCO2saturatedsolution[33]图1-3不同类型的Cu纳米线[35]，Cu立方块[36]的SEM形貌图像Fig.1-3SEMpatternsofdifferenttypesofCoppernanowires[35],Coppercubes[36]自从Cu电极被研究以来，便有不少科研工作者尝试对Cu基材料进行氧化的研究。Yeo等[38]制备出的Cu2O电化学还原CO2产物为C2H4，法拉第效率可达20%。Cuenya课题组[39]发现离子体活化的氧化铜表现出多碳化合物的选择性，原因是反应过程中Cu+亚表层氧物种的存在。除此之外，证明电解质中碱金属离子对等离子体活化的CuO催化剂反应性能的影响。Cu金属虽然是当下能够催化CO2生成碳氢化合物的唯一金属，然而早期研究的Cu材料都是在-1.0V（vs.RHE）或高于其值的电位下进行。因此，进一步掌握在低电位下还原CO2的活性中心及反应机理是非常重要的。1.3.1.2CuM合金介于纯Cu低的还原性能，越来越多的研究人员开始对Cu基合金进行研究与开发（见图1-4）。合金化材料被认为可以提高CO2还原催化性能和选择性。例如，Watanabe等人[40]在1991年就开始将Cu合金金属电极用于还原CO2，发现Cu-Ni、Cu-Sn、Cu-Pb等合金有高活性，而Cu-Ag、Cu-Cd等催化性能却较差。近几年，朱文静等人[41]利用一锅法合成Pd-Cu合金催化剂，通过调节Cu与Pd的组分比就可以调控产物的形貌。结果表明由于合金化的作用，树枝状Pd3Cu催化剂在-0.7V至-1.3V的电位窗口内实现高CO电流密度，且在-1.3V处部分电流密度达到商业Pd/C催化剂?
本文编号：3229859
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