铜基电催化剂还原CO2

温室气体CO₂的大量排放给全球气候造成潜在威胁,电化学还原CO₂为有用的化工产品作为一种人为的碳循环的方式,拓展了新的利用CO₂的可能性,并且是一种很有前景的显著改善环境、促进可持续发展的方法。然而,在转化CO₂为有价值的产品过程中,最大的挑战是抑制析氢副反应的同时达不到高效率、高选择性。铜因其在电催化还原CO₂过程中优异的催化性能而得到广泛关注。本文重点介绍了近年来电催化还原CO₂的发展以及电化学转化CO₂的优缺点,介绍了CO₂RR的热力学与动力学研究并概述了Cu电极、Cu MOFs材料电极以及通过氧化、合金化、纳米化和表面修饰等方法修饰的铜电极的进展,但是电催化还原CO₂的反应机理尚不太确定。最后,讨论了未来铜基电极催化剂高效率地选择性转化CO₂会面临的挑战和可能研究的方向。     

贵金属负载TiO2对光催化还原CO2选择性的影响

利用光沉积方法在TiO₂表面分别负载1%(质量分数) Pt、Pd、Au和Ag助催化剂.用TEM、XRD、UV-vis等技术对催化剂进行了表征,并利用连续瞬态电流时间响应和线性扫描伏安法等电化学方法,对贵金属负载的TiO₂光催化剂在光照条件下的电流响应强度及电催化析氢电位等特性加以测试.分析了贵金属助催化剂对光催化还原CO₂性能的差异.结果表明,负载贵金属助催化剂能显著加速光生电子空穴的分离,降低复合率;另外,助催化剂对还原CO₂选择性的顺序为Ag>Au>Pd>Pt.贵金属助催化剂还原CO₂的加氢选择性和析氢过电位存在相关性,即越不利于析氢过程的助催化剂,其催化CO₂加氢还原产物的选择性越高.     

等离子体还原催化剂在CO2甲烷化反应中的活性

采用浸渍法和原位生长水滑石法制备了Ni-Ce/γ-Al₂O₃和Ni-Ce-LDHs/γ-Al₂O₃ 2种不同类型的催化剂前驱体, 考察了2种前驱体分别经氩-氢等离子体和常规氢热方法还原所得催化剂在CO₂甲烷化反应中的活性. 结果表明, 等离子体还原催化剂的低温活性明显高于常规氢热还原催化剂, 主要表现为前者反应启动的临界温度点比后者低20~30 ℃. 采用X射线衍射(XRD)分析、 透射电子显微镜(TEM)、 CO₂程序升温脱附(CO₂-TPD)以及X射线光电子能谱(XPS)对所得催化剂的形貌和结构进行了表征. 结果表明, 等离子体还原催化剂具有较小的活性组分粒径、 较高的活性组分分散度以及较高的表面碱性, 这些特性有利于催化剂活性位对CO₂的化学吸附, 使其在甲烷化反应中表现出较好的低温活性.     

通过实验和理论验证Pt0/SrTiO3-δ复合催化剂双反应路径促进CO2还原(英文)

在以H₂O为质子源的光催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)过程中,光解H₂O产氢气(H₂)被认为是一个竞争反应.因此,光催化CO₂RR过程需要抑制H₂的产生,以提高碳氢产物的选择性和产率.以CO₂和H₂为反应物的逆水气变换反应(RWGS)是常见的CO₂加氢反应,在较高的温度和催化剂作用下生成CO和H₂O.目前,光催化CO₂RR研究主要聚焦于产物的选择性,而有关光解H₂O产生的还原性气体H₂在光热效应的促进下成为CO₂RR中新的质子源研究较少.光热催化是一种新的高效催化反应方式,在反应过程中需要光照和加热.光照能够促进半导体光生载流子的激发,热效应则能降低反应物分子的活化势垒,并能够促进中间产物的表面迁移以及生成物的脱附.利用光热催化热力学和动力学上的有利条件,为以H₂     

等离子体技术对CO2甲烷化用Ni/SiO2催化剂的改性作用

采用浸渍法制备了Ni/SiO₂催化剂,应用等离子体技术对催化剂进行改性处理。以CO₂甲烷化为模型反应对催化剂进行活性评价,通过H₂程序升温还原(H₂-TPR)和CO₂程序升温脱附(CO₂-TPD)技术对催化剂进行表征。研究了等离子体技术强化处理对催化剂吸附性能和还原性能的影响。结果表明,与常规焙烧的催化剂相比,等离子体技术改性处理提高了催化剂活性组分的分散度,增加反应活性位并调变了活性位对吸附物种的吸附强度,改进了催化剂的还原性能,CO₂甲烷化反应活性和甲烷的时空产率显著提高。     

TiO2光催化还原CO2

光催化还原CO₂技术在CO₂的治理与利用方面有着潜在的应用价值和良好的开发前景。该文简要综述了近年来用于光催化还原CO₂反应的TiO₂光催化剂材料,包括纯TiO₂催化剂、负载型TiO₂催化剂、金属改性TiO₂催化剂、半导体复合TiO₂催化剂和有机光敏化TiO₂催化剂等,并介绍了各类催化剂光催化还原CO₂的反应性能。     

Cu13、Cu12Zr和Cu12Zn团簇上CO2还原反应的密度泛函理论研究

本研究采用密度泛函理论研究了Cu₁₃、Cu₁₂Zn和Cu₁₂Zr团簇的CO₂还原反应的吸附和活化能力,计算结果表明相比于Cu₁₃团簇,Cu₁₂Zr增强了对反应物和中间体的吸附能力,而Cu₁₂Zn团簇降低了对反应物和中间体的吸附能力。计算了Cu₁₃、Cu₁₂Zr和Cu₁₂Zn团簇上CO₂还原为CO的能垒为分别为0.65、0.35和0.58 eV,CO₂加氢生成HCOO的能垒为0.87、0.77和0.49 eV,而CO₂加氢生成COOH的能垒为1.67、1.89和0.99 eV。Zn和Zr元素的掺杂提高了铜团簇的CO₂催化还原能力,其中,表现为Cu₁₂Zr团簇有利于CO₂解离生成CO,Cu₁₂Zn团簇有利于CO_2...     

高活性Cu-ZnO@SiO2纳米催化剂催化CO2加氢制甲醇

铜基催化剂可被广泛应用于CO₂加氢制甲醇,其催化活性高度依赖载体.本文通过St?ber法合成了SiO₂纳米微球,将其作为载体制备了Cu-Zn O@Si O₂催化剂；将该催化剂应用于CO₂加氢制甲醇,并与常规共沉淀法制备的Cu-Zn O催化剂进行了对比.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H₂-TPR)和二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)等手段对催化剂进行了表征.结果表明，Cu-Zn O@Si O₂催化剂具有更高的Cu分散性和CO₂吸附能力,Si O₂的加入提高了催化剂表面Cu⁺/Cu⁰的比例,从而影响了催化性能.研究发现,在H₂/CO₂摩尔比为3,230℃,2.0 MPa和气体体积空速为3600 m L·g     

理论设计和实验研究吡啶掺杂聚合氮化碳提升光催化CO2还原性能(英文)

光催化CO₂还原是利用太阳光和水将CO₂转化为高价值化学品或燃料(如CO、甲醇、甲烷等),被认为是解决CO₂问题的理想途径之一.CO₂分子中C=O离解能高而活化困难,且光催化CO₂还原涉及多质子耦合多电子转移过程且产物多样,因而研制效率高且选择性好的光催化剂是该技术的关键.聚合物氮化碳(PCN)作为一种结构可调的有机光催化剂,具有化学稳定性好且能带位置适宜于还原CO₂的优势,是一种具有发展潜力的CO₂还原光催化剂;但是PCN也存在因其禁带宽度较大而对可见光响应范围有限以及因其结构由三均三嗪单元构成而缺乏足够活性位点来吸附和活化CO₂等不足.目前在提升PCN的光催化CO₂还原性能方面已有不少研究,但所得的PCN基光催化剂在效率和选择性上仍处于较低水平.考虑到光催化CO₂还原涉及复杂的热力学和动力学要求,对基于PCN的光催化剂进行精准设计和研究是非常必要的,这有望获得同时具...     

金属-有机框架材料在光催化二氧化碳还原中的应用

CO₂的过度排放导致全球环境问题日益严重,如何将CO₂有效地利用起来成为全世界的研究热点。相比于高耗能的CO₂捕获和储存(CCS)技术,通过催化反应将CO₂转化为有价值的能源燃料是同时解决能源危机和环境问题的有效途径。其中,使用太阳能作为能量来源的光催化CO₂还原技术更具应用前景。但是目前CO₂光还原催化剂仍然存在很多缺点,如可见光响应能力低、光生电子空穴对复合严重、CO₂吸附量小、产物的选择性低以及在含水环境中的产氢竞争反应等。金属-有机框架(MOFs)是由金属离子/簇和有机配体构成的一类独特的多孔晶态材料,具有可调的多孔结构、电子迁移速度快、CO₂吸附量大等优点,在光催化CO₂还原领域具有广阔的应用潜力。现有方法主要是通过对MOFs的功能化修饰、与其他功能型材料复合等获得高效的光还原CO₂的催化性能。本文主要对近年来MOFs基CO₂光还原催化剂(单一MOFs、MOFs基复合材料以及MOFs衍生材料)的研究现状进行了分析和讨论,并对MOFs材料在光催化CO₂还原中的发展趋势进行了展望。     

利用TiO2/SO42-光触媒催化还原CO2之参数影响与反应路径探讨

将改良式溶胶-凝胶法制备的酸性触媒TiO2/SO24-涂布于不锈钢网上,并利用自行设计之批次式光催化反应器,在三组近紫外灯管(波长为365nm,光强度为2.0mW/cm2)照射下,进行CO2光催化还原反应操作参数(还原剂种类、CO2初始浓度和反应温度)之影响研究.结果显示,使用氢气为还原剂可获得最高的光催化还原速率,光还原反应之主要气态产物为CO和甲烷,其次为微量的乙烯与乙烷.同时,光催化还原速率亦随着CO2初始浓度及反应温度的提高而增加.FT-IR光谱分析发现,TiO2/SO42-光触媒表面有甲酸、甲醇、碳酸盐、甲酸盐及甲酸甲酯等产物之存在.TiO2/SO42-光触媒催化还原CO2有两种可能反应路径,其中一种反应路径生成CO,CH4,C2H4及C2H6等气态产物;而另一种反应路径则生成CO23a-ds,CH3OHads,HCOOa-ds,HCOOHads,HCOHads与HCOOCH3ads等吸附在光触媒表面的产物.     

TiO2负载型催化剂及光催化还原CO2反应的表面光电压谱研究

半导体TiO₂作为光催化剂,已被广泛应用于光催化废水处理及光催化储能^[1,2]等方面的研究.人们不断开发高活性的新型光催化剂并对其反应机理进行了探索性研究^[3],希望通过表面负载Pd、Ru、Pt或Rh等贵金属的小岛式颗粒以传递光生电子(或光生空穴).     

三维分等级花状Cd0.8Zn0.2S的结构调控及其光催化CO2还原

近年来,光催化CO2还原被视为一种既能解决能源短缺又能减少温室气体,改善人类生存环境的绿色新型技术.然而,由于CO2气体的相对稳定性,构建高催化活性和高选择性的催化体系仍然面临着巨大挑战.锌硫镉固溶体作为一种廉价的固溶类材料,具有吸光范围适宜、化学性质稳定以及能带结构可调控等特点,在光催化还原CO2的方面表现出巨大的潜力.本文发展了一种简单的原位自组装法合成三维分等级花状结构的Cd0.8Zn0.2S,主要包括Cd^2+和Zn^2+离子在含硫氛围下自组装成核状前体,然后以柠檬酸钠作为形貌诱导剂进一步组装生长,同时控制Cd2+/Zn2+摩尔比和反应时间以实现三维分等级花状Cd0.8Zn0.2S的合成.结果表明,三维分等级花状结构的Cd0.8Zn0.2S在光催化还原CO2的过程中表现出优异的催化活性和稳定性.其中,在光照3 h后,CO产量达到41.4μmol g^?1,大约是相同光照条件下Cd0.8Zn0.2S纳米颗粒的三倍(14.7μmol g^?1).此外,三维分等级花状结构的Cd0.8Zn0.2S在光催化过程中展现出对光催化产物CO的较高选择性(89.9%),其中在没有任何牺牲剂或共催化剂作用下的TON为39.6.太赫兹时域光谱(THz-TDS)表明,这种三维分等级花状结构的Cd0.8Zn0.2S相较于Cd0.8Zn0.2S纳米颗粒更有利于对光的吸收,从而提高对光的有效利用率.原位漫反射傅立叶变化红外光谱表征分析揭示了三维分等级花状结构的Cd0.8Zn0.2S在光催化过程中表面吸附物质以及光催化还原中间体的存在及转化.通过实验数据和理论机理预测表明,该种三维分等级花状结构的Cd0.8Zn0.2S具有较高的电流密度和较好的载流子传输能力.基于这种三维的花状结构,使得Cd0.8Zn0.2S具有较大的比表面积和吸附位点,进一步提升体系的CO2吸附性能和光生电子的转移效率,从而有效提高光催化CO2还原的活性.     

改性活性炭脱除含CO2原料气中低浓度SO2的研究

用浸渍法分别得到含5%Na2CO3、5%NaHCO3、5%NaOH(质量比)的改性活性炭。研究了改性活性炭在含CO2原料气中的脱硫性能。在固定床反应器上考察了有氧条件下浸渍剂、反应温度和原料气湿度对SO2的脱除影响。分别在常温(25℃)和高温(350℃)下详细考察了原料气中的CO2含量对活性炭脱硫性能的影响。实验表明,常温(25℃)下,CO2的存在对活性炭脱硫有不利的影响;高温(350℃)下,CO2的存在对活性炭脱硫有促进作用。     

沉淀方式对微波辐射老化制备CuO/ZnO/Al2O3催化剂性能的影响

采用微波辐射老化沉淀母液的方法,着重考察了沉淀方式对制备的CuO/ZnO/Al₂O₃催化剂及其前驱体的结构和催化性能的影响。实验结果表明,沉淀方式对催化剂的活性和稳定性影响较大,其活性顺序为分步沉淀法二＞并流共沉淀法＞分步沉淀法一＞反加法＞正加法。通过XRD、DTG、H₂-TPR等表征分析表明,先并流沉淀Al(NO₃)₃溶液和Na₂CO₃溶液,再并流沉淀Cu(NO₃)₂-Zn(NO₃)₂混合溶液与剩下的Na₂CO₃溶液,然后微波辐射老化所制备前驱体中含有更多的绿铜锌矿 (Cu,Zn)₅ (CO₃)₂(OH)₆物相,焙烧后形成的CuO-ZnO协同作用强,且CuO分散性好,H₂还原温度较低,催化活性和稳定性也较高。     

在纳米CdS颗粒表面MV2+光还原的ESR研究

以甲基紫精(MV²⁺)作电子受体进行了纳米CdS光生电荷转移的ESR研究。实验表明,纳米CdS悬浮在1.1×10^-smol/LMV²⁺的乙醇溶液中,光照时,MV²⁺的光还原速率恒定;还原产物MV^+·二聚的速率服从二级反应动力学公式。乙醇溶液中的溶解氧和纳米CdS表面的离子及附氧对MV²⁺的还原过程有抑制作用。     

"反应环境磷酸化"加速g-C3N4/碳纸气-液-固三相界面光催化CO2还原

采用悬浮体系进行光催化CO2还原反应是将半导体光催化剂均匀分散到液相中,但液相中有限的CO2溶解度和扩散速率,极大限制了光催化还原CO2反应的活性和选择性.为了提高悬浮体系的CO2还原活性,研究人员进行了一系列研究,包括开发新材料、形貌调控、复合光催化剂和用CO2饱和溶液代替纯水等.但这些改进策略对CO2还原活性的提升是有限的,仍然难以达到实际应用的要求.近年来,关于催化剂的设计和制备方面取得较大进步,但仅有极少数的研究致力于构建有效的光催化体系.实际上,光催化体系的构建与催化剂的设计和制备同样重要,因为理想的光催化CO2还原体系会使CO2反应气体与光催化剂的相互作用最大化,从而提高CO2还原反应的效率.近年来,可以建立气-液-固三相接触界面的疏水基底材料被广泛研究并应用于许多领域,包括燃料电池、光催化、电催化和有机合成等.这种独特的界面体系可以使反应气体到达反应界面并吸附在催化剂表面,从而提高了许多涉及气体的多相反应的反应速率.在传统的固-液两相体系中,气体传输通常是限制反应速率的因素,疏水基底的引入则可以很好地解决这一问题.氮化碳(g-C3N4)作为一种聚合物半导体,具有可见光响应能力,并且光生电子具有足够的还原能力满足还原CO2的需求,这使得它逐渐成为光催化CO2还原领域的明星材料.本文把g-C3N4作为光催化剂负载到疏水基底表面,构建气-液-固三相光催化体系并用于研究光催化CO2还原反应活性.以三聚氰胺为前驱体,采用化学气相沉积法在亲、疏水碳纤维纸表面生长g-C3N4光催化剂来构建新型气-液-固三相光催化体系,该体系可以增强CO2的传输和吸附能力,并形成气-液-固(CO2-H2O-光催化剂)三相反应界面,使得光催化CO2还原反应的活性和选择性显著提高.借助于疏水表面,气态物质可以连续不断地输送到光催化剂表面,而不仅依赖于溶解在液相中的微量CO2气体.因此,催化剂表面可以保持有较高的CO2和较低的H+浓度,在抑制析氢反应的同时增强CO2还原反应.研究结果表明,与亲水样品相比,疏水样品的CO2还原效率显著提高并明显抑制了析氢反应,其光催化CO2还原反应的选择性达到78.6％.另外,氧化半反应通常是光催化CO2还原反应的限制因素,会导致光生空穴的大量聚集,阻碍光生载流子的分离与传递,进而影响整体的光催化转化率.研究结果表明,使用磷酸盐溶液代替纯水进行光催化CO2还原反应性能,可以大幅提高气-液-固三相体系的光催化活性,其总体光催化CO2还原速率达到了1175.5 μmol h-1 m-2,是纯水环境下的8.8倍,CO2还原选择性为93.8％.光催化剂表面的光生空穴可以直接与溶液中的磷酸根离子发生反应,使磷酸盐反应生成过磷酸盐,以代替较难发生的产氧半反应.     

La2O3/MgO催化剂上的甲烷氧化偶联

研究了甲烷在La_2O_3/MgO催化剂上的氧化偶联。发现制备过等对催化剂的行为有显著影响。比较了催化剂的反应性能和体相结构,表明在MgO上存在着三种La_2O_3的状态:高分散La_2O_3是最活泼的;La(OH)_3不太活泼;而呈六方晶相的La_2O_3晶粒活性最低。在催化剂中加入Na_2CO_3和K_2CO_3可以改进催化剂的活性和选择性。还考察了反应条件如温度和空速的影响。     

甲醇和碳酸丙烯酯合成碳酸二甲酯的研究

采用浸渍法以ZrO2为载体，以碱金属氢氧化物和碳酸盐为前驱体制备了不同的固体碱催化剂，在温和反应条件下考察了催化剂的酯交换扳应性能，并通过BET、XRD和CO2－TPD等方法对催化剂进行了表征，结果表明：Na2CO3负载到不同载体上，其催化性能明显不同，Na2CO3/ZrO2催化剂获得了较高的酯交换活性。载体的比表面和孔结构与催化剂的反应活性无一定的依存关系。而催化剂表面的酸碱性是影响酯交换活性的重要因素。     

Copolymerization of cyclohexene oxide with CO2 by using intramolecular dinuclear zinc catalysts

The intramolecular dinuclear zinc complexes generated in situ from the reaction of multidentate semi-azacrown ether ligands with Et(2)Zn, followed by treatment with an alcohol additive, were found to promote the copolymerization of CO(2) and cyclohexene oxide (CHO) with completely alternating polycarbonate selectivity and high efficiency. With this type of novel initiator, the copolymerization could be accomplished under mild conditions at 1 atm pressure of CO(2), which represents a significant advantage over most catalytic systems developed for this reaction so far. The copolymerization reaction was demonstrated to be a living process as a result of the narrow polydispersities and the linear increase in the molecular weight with conversion of CHO. In addition, the solid-state structure of the dinuclear zinc complex was characterized by X-ray crystal structural analysis and can be considered as a model of the active catalyst. On the basis of the various efforts made to understand the mechanisms of the catalytic reaction, including MALDI-TOF mass analysis of the copolymers' end-groups, the effect of alcohol additives on the catalysis and CO(2) pressure on the conversion of CHO, as well as the kinetic data gained from in situ IR spectroscopy, a plausible catalytic cycle for the present reaction system is outlined. The copolymerization is initiated by the insertion of CO(2) into the Zn--OEt bond to afford a carbonate-ester-bridged complex. The dinuclear zinc structure of the catalyst remains intact throughout the copolymerization. The bridged zinc centers may have a synergistic effect on the copolymerization reaction; one zinc center could activate the epoxide through its coordination and the second zinc atom may be responsible for carbonate propagation by nucleophilic attack by the carbonate ester on the back side of the cis-epoxide ring to afford the carbonate. The mechanistic implication of this is particularly important for future research into the design of efficient and practical catalysts for the copolymerization of epoxides with CO(2.).