高效二氧化碳/氮气电还原催化剂的理性设计及其构效关系研究

发布时间：2022-02-18 09:39

　　人类对化石燃料的过度消耗不仅加速了有限自然资源的枯竭,也导致了温室气体二氧化碳的超量排放。随着全球变暖日益加剧,探索有效的技术途径去降低大气中CO2浓度已成为各国政府和科学家的重点研究方向。在几种可行的CO2利用策略（光化学法、生物化学法、热化学法及电化学法）中,通过电化学还原CO2并使之转变成对人类有益的碳氢化合物燃料的技术尤其具有吸引力。因为该方法在常温常压下进行,且不受卡诺循环限制,真正实现碳元素的循环使用。氮循环与碳循环一起,是构成地球生态系统中至关重要的一环。通过电催化将氮气直接转化为氨,能极大降低整个合成氨过程中的能量消耗和碳排放。然而,目前限制CO2/N2电还原技术大规模应用的瓶颈在于反应电流密度较小、特定产物选择性较差、所需过电位较高以及析氢副反应严重等。因此,如何通过更高效催化剂的理性设计与可控合成,并结合催化机制和构效关系的理解调控,从而提升目标产物的还原反应速率和生成量依然是目前亟需解决的关键科学问题。针对上述研究现状,本论文对于CO2/N2电还原催化剂的设计调控主要分为三部分。第一部分集中在金属二维材料的晶面与原子层厚度调控;第二部分集中在金属单原子的可控合成与... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校

【文章页数】：161 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 二氧化碳电还原概述
        1.2.1 二氧化碳电还原基本原理
        1.2.2 二氧化碳电还原性能评价指标
        1.2.3 二氧化碳电还原膜电极全电解池
        1.2.4 二氧化碳电还原的前景和挑战
    1.3 氮气电还原简介
        1.3.1 氮气电还原反应机理
        1.3.2 氮气电还原的优势和面临的科学问题
    1.4 电催化剂的设计
        1.4.1 二维金属催化剂
        1.4.2 单原子金属催化剂
        1.4.3 二维碳基无金属催化剂
    1.5 活性调控策略
        1.5.1 厚度及尺寸调控
        1.5.2 晶相及应变调控
        1.5.3 孔隙及边缘调控
        1.5.4 界面工程
        1.5.5 缺陷工程
        1.5.6 元素掺杂
        1.5.7 分子增强策略
    1.6 本论文的研究思路和内容
        1.6.1 研究思路
        1.6.2 研究内容
第2章 材料制备及表征方法
    2.1 实验所用材料和仪器
        2.1.1 实验材料
        2.1.2 实验仪器
    2.2 物化性质表征
    2.3 电化学性能表征
    2.4 CO_2RR产物检测校准分析
    2.5 N_2RR产物检测校准分析
第3章 单原子层铋烯用于高效CO_2电还原
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 单原子层铋烯的制备
        3.2.2 Bi(111)和Bi(011)理论计算
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 铋烯的形貌和结构分析
        3.3.2 铋纳米片厚度相关的CO_2RR活性
        3.3.3 铋纳米片厚度相关的CO_2RR稳定性
        3.3.4 铋烯的结构稳定性
        3.3.5 非致密性铋烯催化层的构建
        3.3.6 铋烯CO_2RR活性的机理研究
    3.4 本章小结
第4章 金纳米片还原CO_2的活性机制探究
    4.1 引言
    4.2 实验部分
        4.2.1 Au三角纳米片的制备
        4.2.2 AuNSs@def-GO催化剂的制备
        4.2.3 ~(13)CO_2同位素标记实验
        4.2.4 理论计算
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 AuNSs@def-GO的形貌和结构分析
        4.3.2 AuNSs@def-GO的CO_2RR性能表征
        4.3.3 AuNSs@def-GO@BP催化层的构建
        4.3.4 PEM-CO_2还原全电解器的设计
        4.3.5 CO_2RR活性的机理研究
    4.4 本章小结
第5章 ZnN_4基单原子催化剂CO_2RR的构效关系研究
    5.1 引言
    5.2 实验部分
        5.2.1 ZnN_4/C催化剂的制备
        5.2.2 理论计算
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 ZnN_4/C的形貌和结构分析
        5.3.2 ZnN_4/C的结构性能优化
        5.3.3 ZnN_4/C的CO_2RR活性探究
        5.3.4 ZnN_4/C的CO_2RR动力学研究
        5.3.5 ZnN_4/C的CO_2RR活性来源研究
        5.3.6 CO_2RR活性的机理解释
    5.4 本章小结
第6章 氧缺陷锚定的单原子Fe基高效氮还原催化剂
    6.1 引言
    6.2 实验部分
        6.2.1 Fe_(SA)-O-C催化剂的制备
        6.2.2 ~(15)N_2同位素标记实验
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 PC和Fe_(SA)-O-C的形貌和结构表征
        6.3.2 Fe_(SA)-O-C的N_2RR活性探究
        6.3.3 ~(15)N_2同位素标记实验
        6.3.4 原位EXAFS实验和DFT计算
        6.3.5 Fe_(SA)-O-C的N_2RR稳定性
        6.3.6 PEM-N_2还原全电解器的设计
    6.4 本章小结
第7章 揭示碳上含氧官能团在CO_2RR中的作用本质
    7.1 引言
    7.2 实验部分
        7.2.1 GNDs催化剂的制备
        7.2.2 原位红外实验
        7.2.3 理论计算
    7.3 结果与讨论
        7.3.1 GNDs的形貌和结构分析
        7.3.2 GNDs的CO_2RR性能分析
        7.3.3 GNDs上含氧官能团的作用本质
        7.3.4 CO_2RR活性循环再生
    7.4 含氮官能化的GNDs用于荧光标记
        7.4.1 引言
        7.4.2 afGNDs和hGNDs的制备
        7.4.3 afGNDs的形貌和结构表征
        7.4.4 afGNDs的发光性能研究
        7.4.5 afGNDs的荧光增强机理研究
    7.5 本章小结
第8章 结论与展望
参考文献
附录 英文缩写索引
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果



本文编号：3630603