基于吸附增强策略的二氧化碳电催化剂制备与性能研究
发布时间：2021-07-26 16:06
使用清洁能源电化学还原CO2,可以将CO2转化成为具有高附加值的燃料和化学品,能够有效缓解能源短缺问题。因此,电化学还原CO2是一种新的能源储存和转化利用技术,极具研究价值和应用前景。其中,催化剂对电化学还原CO2的性能具有至关重要的作用。但是,由于CO2在水性介质电解液中溶解度低（约为30mM）,造成CO2在催化剂表面吸附和活化困难,从而影响了电化学催化还原CO2活性和选择性。为解决该问题,一些方法比如加压、离子液体以及调节pH等已经被报道。但这些方法存在设备复杂、工艺繁琐、成本较高等问题。基于此,本文提出一种CO2表面吸附增强策略,设计和制备新型的CO2电催化还原催化剂。采用软模板法制备了高性能的CO2吸附/活化氧化镁（MgO）基催化剂,采用有机配体修饰催化剂材料的方式,制备了具有高选择性的铜基催化剂。具体内容如下:（1）以P123和油酸钠（SO）作为软模板,使用2,4-二羟基苯甲酸（DA）和甲醛作为碳源,Mg（NO3）2·6H2O作为镁源,通过水热和碳化过程,制备了氧化镁锚定的中空碳球（HCS）复合材料（MgO/HCS）。所制备的材料具有中空多孔且MgO在HCS上均匀分布的特点,...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３氨基酸修饰的Ｃｕ电极上Ｃ０２转化成ＣｘＨｙ的示意图和ＦＥ图＠］??．－
?北京化工大学专业学位硕士研宄生学位论文???營—拳一??ｃａｒｂｏｎ?；?ｈ?／?＼?／??Ｗ＼?／ｍｍ??一，一一??ｉＪＩＩＩＭｉ１?〇ｒ＊Ｐｈ＃ｆｖｔｍ??Ｃ．ｒｂｏ？ｆ？ｍｏｒｌｆｅｂｏｒ？．??翁?１＿＇?一??ＯｎｔｆＯｗｍ?ｇｍｐ￥＊ｉｔＫ?％ｂｍｕ?Ｇ＾ａｐｈ＊ｔ？??图１－６不同维度的碳基材料［６７］??Ｆｉｇ．?１－６?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ?ｏｆ?Ｃａｒｂｏｎ－ｂａｓｅｄ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??（１）杂原子掺杂：在碳基材料中引入杂原子［６９］，例如氮（Ｎ），硼（Ｂ），硫（Ｓ）??和氟（Ｆ）原子等，是用于提高电催化性能十分有效的策略。同样地，掺杂原子进入??碳骨架可能是一种强有力的策略，可以修改电子工作带和增加催化剂表面的电荷迁移??率，提高了?Ｃ〇２电催化性能。１１皿１＾等［６８］报道了一种Ｎ掺杂多孔碳（ＮＰＣ）材料，??ＮＰＣ表现出优异的电化学还原Ｃ０２制备Ｃ０的活性，具有－０．３５?Ｖ较低的起始电位和??ＦＥ为９８．４％，这一性能优于许多己报道的基于ＮＰＣ的ＥＲＣ电催化剂。??（２）构筑过渡金属－氮－碳结构：如前所述，金属催化剂可以分为四类，最后一种??类型的催化剂基本没有＜：〇２催化活性，例如Ｎｉ、？６等［７（）］，但是通过将这些金属引入??碳骨架中，并形成金属氮碳（Ｍ－Ｎ－Ｃ）结构，可以获得优越的电催化性能。以上金属??储量丰富，廉价易得，具备大规模开发应用的潜能。金属原子与Ｎ原子键合并避免结??构中的金属与金属相互作用，所得的Ｍ－Ｎ－Ｃ结构是具有优异电催化活性的单原子催??化剂。与其他非均相催化剂不同，单原子催化剂显示出大大提高了活性和降低二氧
?第１章文献综述???化学还原Ｃ０２，获得了高的ＨＣＯＯＨ和ＣＯ产物选择性，如图１－７所示。研究结果表??明高活性源自超小的ＳｎＯ的粒径增强了ＣＯｆ中间体的吸附能力，产物ＣＯ的高选择性??归因于导电炭黑中纳米颗粒的高密度矩阵造成了局部高ｐＨ环境，局部ｐＨ升高可抑??制甲酸形成而对Ｃ０生成速率的影响较校近期，Ｓｕｎ等［７２］研究者制备了氮掺杂的碳??负载的氧化铜（ＣｕＯ／ＮＣ）催化剂获得了法拉第效率为３６％的产物Ｃ２Ｈ４选择性（－１２５??Ｖ?ｖｓ．?ＲＨＥ）。研究表明，ＮＣ是优异的Ｃ０２捕集材料，可以保持催化剂附近局部高浓??的Ｃ０２微环境，促进反应过程中的质量传输。此外，ＮＣ可以增加＊ＣＯ在铜催化剂表??面的覆盖率，进一步促进了＊ＣＯ的二聚作用，提高了产物Ｃ２Ｈ４的选择性。上述研究??结果表明，金属催化剂与碳骨架的结合是一种有效策略，用于提高电化学还原Ｃ０２??催化剂的活性和选择性。??＾＊〇４?＼４００°Ｃ，４ｈ??／?－ＣＯ，ＣＯ，?ｒ??／?ＳｎＯ／Ｃ??ＳｎＣＩ２?＊?ＨＣＩ??Ｖ＇ｒ．４〇〇°Ｃ．４ｈ??ＳｎＯ／Ｃ??图１－７?ＳｎＯ／Ｃ和Ｓｎ０２／Ｃ的合成示意图［７１］??Ｆｉｇ．１－７?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ?ｏｆ?ＳｎＯ／Ｃ?ａｎｄ?Ｓｎ０２／Ｃ??１．４本论文的选题依据和研究内容??电化学还原ｃｏ２可以利用可再生能源太阳能、风能产生的清洁能源电能，将ｃｏ２??转化为ＣＯ、烷烃甲酸、醇类等物质，使得电能转化到这些能量密度大的燃料中，是??一种高效的储存电能的方式，因而表现出极具潜力的应用前景。然而，该技术因高过??电位，低电流密度和较差的
【参考文献】：
期刊论文
[1]CO2电还原用氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂[J]. 朱红林,李文英,黎挺挺,Michael Baitinger,Juri Grin,郑岳青. 化学进展. 2019(07)
[2]仿生多孔MgO-TiO2合成及其光催化CO2还原性能（英文）[J]. 王芳,周勇,李萍,蒯立邦,邹志刚. 催化学报. 2016(06)
硕士论文
[1]多孔铜电极的制备及其电催化CO2还原的研究[D]. 赵金虎.华中师范大学 2012
本文编号：3303883
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－３氨基酸修饰的Ｃｕ电极上Ｃ０２转化成ＣｘＨｙ的示意图和ＦＥ图＠］??．－
?北京化工大学专业学位硕士研宄生学位论文???營—拳一??ｃａｒｂｏｎ?；?ｈ?／?＼?／??Ｗ＼?／ｍｍ??一，一一??ｉＪＩＩＩＭｉ１?〇ｒ＊Ｐｈ＃ｆｖｔｍ??Ｃ．ｒｂｏ？ｆ？ｍｏｒｌｆｅｂｏｒ？．??翁?１＿＇?一??ＯｎｔｆＯｗｍ?ｇｍｐ￥＊ｉｔＫ?％ｂｍｕ?Ｇ＾ａｐｈ＊ｔ？??图１－６不同维度的碳基材料［６７］??Ｆｉｇ．?１－６?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ?ｏｆ?Ｃａｒｂｏｎ－ｂａｓｅｄ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??（１）杂原子掺杂：在碳基材料中引入杂原子［６９］，例如氮（Ｎ），硼（Ｂ），硫（Ｓ）??和氟（Ｆ）原子等，是用于提高电催化性能十分有效的策略。同样地，掺杂原子进入??碳骨架可能是一种强有力的策略，可以修改电子工作带和增加催化剂表面的电荷迁移??率，提高了?Ｃ〇２电催化性能。１１皿１＾等［６８］报道了一种Ｎ掺杂多孔碳（ＮＰＣ）材料，??ＮＰＣ表现出优异的电化学还原Ｃ０２制备Ｃ０的活性，具有－０．３５?Ｖ较低的起始电位和??ＦＥ为９８．４％，这一性能优于许多己报道的基于ＮＰＣ的ＥＲＣ电催化剂。??（２）构筑过渡金属－氮－碳结构：如前所述，金属催化剂可以分为四类，最后一种??类型的催化剂基本没有＜：〇２催化活性，例如Ｎｉ、？６等［７（）］，但是通过将这些金属引入??碳骨架中，并形成金属氮碳（Ｍ－Ｎ－Ｃ）结构，可以获得优越的电催化性能。以上金属??储量丰富，廉价易得，具备大规模开发应用的潜能。金属原子与Ｎ原子键合并避免结??构中的金属与金属相互作用，所得的Ｍ－Ｎ－Ｃ结构是具有优异电催化活性的单原子催??化剂。与其他非均相催化剂不同，单原子催化剂显示出大大提高了活性和降低二氧
?第１章文献综述???化学还原Ｃ０２，获得了高的ＨＣＯＯＨ和ＣＯ产物选择性，如图１－７所示。研究结果表??明高活性源自超小的ＳｎＯ的粒径增强了ＣＯｆ中间体的吸附能力，产物ＣＯ的高选择性??归因于导电炭黑中纳米颗粒的高密度矩阵造成了局部高ｐＨ环境，局部ｐＨ升高可抑??制甲酸形成而对Ｃ０生成速率的影响较校近期，Ｓｕｎ等［７２］研究者制备了氮掺杂的碳??负载的氧化铜（ＣｕＯ／ＮＣ）催化剂获得了法拉第效率为３６％的产物Ｃ２Ｈ４选择性（－１２５??Ｖ?ｖｓ．?ＲＨＥ）。研究表明，ＮＣ是优异的Ｃ０２捕集材料，可以保持催化剂附近局部高浓??的Ｃ０２微环境，促进反应过程中的质量传输。此外，ＮＣ可以增加＊ＣＯ在铜催化剂表??面的覆盖率，进一步促进了＊ＣＯ的二聚作用，提高了产物Ｃ２Ｈ４的选择性。上述研究??结果表明，金属催化剂与碳骨架的结合是一种有效策略，用于提高电化学还原Ｃ０２??催化剂的活性和选择性。??＾＊〇４?＼４００°Ｃ，４ｈ??／?－ＣＯ，ＣＯ，?ｒ??／?ＳｎＯ／Ｃ??ＳｎＣＩ２?＊?ＨＣＩ??Ｖ＇ｒ．４〇〇°Ｃ．４ｈ??ＳｎＯ／Ｃ??图１－７?ＳｎＯ／Ｃ和Ｓｎ０２／Ｃ的合成示意图［７１］??Ｆｉｇ．１－７?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ?ｏｆ?ＳｎＯ／Ｃ?ａｎｄ?Ｓｎ０２／Ｃ??１．４本论文的选题依据和研究内容??电化学还原ｃｏ２可以利用可再生能源太阳能、风能产生的清洁能源电能，将ｃｏ２??转化为ＣＯ、烷烃甲酸、醇类等物质，使得电能转化到这些能量密度大的燃料中，是??一种高效的储存电能的方式，因而表现出极具潜力的应用前景。然而，该技术因高过??电位，低电流密度和较差的
【参考文献】：
期刊论文
[1]CO2电还原用氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂[J]. 朱红林,李文英,黎挺挺,Michael Baitinger,Juri Grin,郑岳青. 化学进展. 2019(07)
[2]仿生多孔MgO-TiO2合成及其光催化CO2还原性能（英文）[J]. 王芳,周勇,李萍,蒯立邦,邹志刚. 催化学报. 2016(06)
硕士论文
[1]多孔铜电极的制备及其电催化CO2还原的研究[D]. 赵金虎.华中师范大学 2012
本文编号：3303883
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