二氧化碳电化学还原催化剂

二氧化碳回收及利用是控制全球气候变暖的一项紧迫任务,具有能源、环境、经济多重现实意义。电催化方法可以在温和条件下使二氧化碳还原为高附加值的燃料、精细化工产品,具有广阔应用前景。本文针对二氧化碳电催化关键技术,从异相催化和均相催化剂两个方面进行了综述,并扼要介绍了光电催化的前沿进步。在未来研究中,从分子水平上认识催化机理,对现有异相、均相催化剂针对性改性,是开发新型高效、长寿催化剂的关键,也是低过电位下选择性生成燃料的核心技术。现有电化学、光电化学反应器的设计与建造为二氧化碳的电催化转化提供重要的工程技术支持,同时为人工“碳循环”和人类自身的可持续发展进行了前沿探索,将为人类未来生存提供广阔的发展空间。     

碳基金属单原子材料电催化二氧化碳还原

利用可再生能源电催化二氧化碳(CO₂)还原成燃料或化学品是实现人工碳循环的理想手段。然而,催化剂的活性、选择性和稳定性限制了电催化CO₂还原反应的应用。碳基金属单原子材料(single-atom metal catalysts on the carbon-based materials,M-SACs@C)具有高活性、高选择性和高金属原子利用率,被认为是一种理想的电催化CO₂还原催化剂,因此吸引了研究者的广泛关注。M-SACs@C能将CO₂还原成一氧化碳、甲酸、甲烷、甲醇、乙烯、乙醇等。本文从CO₂还原产物种类的角度出发,对M-SACs@C在CO₂还原反应中的应用进行了概括。我们重点关注了碳基金属单原子的位点构型和活性来源。此外,本文也对MSACs@C上CO₂还原反应的机制进行了分析与展望。可控合成结构均一且负载量高的M-SACs@C、明确CO₂还原反应机制、增强活性位点的稳定性是M-SACs@C走向产业化的必经之...     

Fe/C_3N_4纳米颗粒用于高效电催化还原CO_2至CO

电催化转化CO2技术用于海洋油气中CO2的处理,不但可以高选择性地将CO2转化为CO、CH4等化学品,并且其可以实现在常温常压下的催化转化。本研究将Fe纳米颗粒担载在h-C3N4纳米片上,并通过包覆无定型碳后制备获得了铁基纳米复合催化剂。同时,研究不同的铁前驱体负载量以及煅烧温度对铁纳米颗粒催化剂电催化还原CO2性能的影响,发现在1 100℃焙烧温度下,在铁负载量为2.36 wt.%时,铁纳米颗粒催化剂电催化CO2还原效果最佳,产物CO的法拉第效率可达到88%。     

二维材料电催化还原CO_2的研究进展

为了制备高法拉第效率、低过电位、对目标产物具有良好选择性和具有较高稳定性的高效二维催化剂材料,从电催化还原二氧化碳(ECR)的原理、反应途径、反应产物和催化剂类型等方面综述了近年来二维材料在ECR领域的研究进展.在此基础上,本文对该研究领域面临的挑战和未来的发展趋势进行了展望.     

金属硫化物在电催化二氧化碳还原反应中的应用

金属硫化物作为催化剂材料具有高稳定性、金属边缘活性和硫空位的协同效应等特点，特别是对二氧化碳(CO₂)电还原反应表现出良好的活性和选择性，有望成为高效的CO₂电还原催化剂.鉴于此，综述了金属硫化物在电催化CO₂还原反应中的研究进展，分别归纳了第四周期、第五周期及第六周期中主要的金属硫化物电催化CO₂还原反应的性能、还原产物特点及影响因素等；特别分析了金属硫化物中S组分调控对催化性能的影响规律，以期实现更高效的电催化CO₂还原转化过程.此外，总结分析了目前金属硫化物催化剂存在的主要问题和瓶颈，并展望未来的研究重点和发展方向.     

Cu-In-S纳米线促进电催化二氧化碳还原制备一氧化碳

电催化二氧化碳还原能够有效地存储和利用可再生能源并缓解温室效应。发展高效的二氧化碳还原催化剂是抑制析氢提升二氧化碳还原活性的有效方法。铜是目前报道的非常有潜力的二氧化碳还原催化剂。但是,铜往往表现出比较低的二氧化碳还原至一氧化碳的活性。对Cu纳米线引入S和In制备Cu-In-S用于二氧化碳还原,结果表明,Cu-In-S表现出高效的二氧化碳还原活性,其催化电流密度和还原至一氧化碳的法拉第效率有了明显的提升。S的引入有效地提升了电催化剂的粗糙度,提升其电化学活性面积;In的引入有效地抑制了析氢,提高了二氧化碳还原至一氧化碳的活性。     

电沉积制备铜基催化剂及其对CO2电还原的催化性能

为了提高铜基催化剂电还原CO₂的催化性能,以氮三乙酸(nitrilotriacetic acid, NTA)为添加剂,通过电沉积法制备了具有三维结构的铜基催化剂,该催化剂具有优异的电还原CO₂制备多碳(C2+)产物的选择性和活性.在–1.26 V vs. RHE (reversible hydrogen electrode)时,乙烯(C₂H₄)和C2+产物的法拉第效率(faradaic efficiency, FE)分别能达到44.0%和61.6%,此时总电流密度(current density)为12.3mA·cm^–2.此外,在NTA的作用下,运用电沉积法制备的Pd和Zn基催化剂具有良好的电还原CO₂为CO的性能,表明NTA作为添加剂在电沉积法制备金属催化剂方面具有一定的普适性.     

纳米碳催化研究取得新进展

纳米碳材料具有较好的化学相容性,经表面活化处理后可在烷烃活化、生物质转化、电催化氧还原等反应中表现出优异活性。然而,功能化纳米碳材料表面物种繁多,为单一官能团定量分析带来了较大难度,多个碳催化反应过程的结构-性能基本关联仍未明晰。近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属新能源所张建课题组与张亚杰课题组合作开展的纳米碳催化机理研究取得新进展,揭示了     

碳基材料在电催化还原CO2中的应用

电催化还原CO₂能够将CO₂转换成高附加值的化学品或燃料,该工艺是一种缓解能源危机和全球变暖的理想途径。但由于缺乏性能优异、价格低廉、环境友好的催化剂,该途径的实用化仍具挑战性。碳基催化剂因具有资源丰富、导电性好、比表面积大、环境友好等优点而被广泛应用于多种催化反应中。目前报道的系列碳基催化剂在CO₂还原反应中也展现出极好的催化性能和应用潜力。综述了N原子掺杂、构造缺陷、单原子负载和金属纳米颗粒负载等手段对碳基材料电催化还原CO₂性能的影响及其催化机制,并总结了电催化还原CO₂所面临的挑战。同时对未来碳基电催化剂的合成及发展进行了展望。     

Pd基氧还原反应纳米合金电催化剂研究进展

在电催化过程中,反应物、中间态和最终产物分子与电催化剂表面的相互作用至关重要,因此对电催化剂表面的活性位点进行调控与修饰是电催化研究中极其重要的一部分,直接决定了电催化过程的效率和成本.首先,简单介绍了电催化的相关基础知识,以燃料电池阴极氧还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)为例,介绍了反应过程机理和高效电催化剂的设计原则.然后,综述了电催化剂活性位点调控的最新进展及面临的挑战,主要包括Pd基纳米合金催化剂的结构和组成;介绍了如何利用各种物理效应(例如晶格应变和电子耦合效应)提升催化活性和稳定性.最后,围绕Pd基纳米合金催化剂性能的进一步提升以及贵金属电催化剂成本控制这两个问题,对其未来的合成策略和发展进行了展望.     

直接甲醇燃料电池用Co-N-C电催化剂的制备及性能

以三聚氰胺甲醛树脂和硝酸钴为前驱体,在Ar保护下采用高温碳化方法制备用于直接甲醇燃料电池(DMFC)阴极的含氮碳载钴(Co-N-C)氧还原电催化剂.利用热重与红外光谱联用、X射线衍射分析、元素分析等方法表征了催化剂的制备过程和结构,采用旋转圆盘电极测试考察了不同碳化温度对Co-N-C电催化剂氧还原催化活性的影响及电催化剂的耐醇性能,并采用该催化剂为阴极催化剂进行DMFC单电池测试.结果表明:Co-N-C电催化剂具有较高的电催化活性和较好的耐醇性能;其氧还原起始电位在0.5V(vs.SCE)左右;700℃碳化温度下制备的Co-N-C电催化剂具有最高的氧还原催化活性.     

二氧化碳加氢合成甲醇纳米铜基催化剂研究进展

介绍了金属铜基催化剂上二氧化碳加氢合成甲醇的反应机理和动力学的国内外研究现状;阐述了国内外二氧化碳加氢合成甲醇纳米金属铜基催化剂的改性、制备方法及助剂对催化剂结构及催化性能影响的研究进展.并指出了以后的研究方向是制备出具有高比表面积、高分散度及在较低温度下对二氧化碳加氢合成甲醇有着较高活性和选择性的催化剂.     

现场红外透射方法研究甲醇水溶液体系在Pt-Ru上的电催化氧化过程

用电化学方法制备了Pt Ru催化剂,并对甲醇电氧化的催化效果进行了电化学测试;着重利用现场红外透射光谱方法研究了甲醇在Pt Ru电极上的电催化氧化过程以及催化剂中Ru组分的含量对甲醇电氧化的影响.发现当w(Ru)=13%时未测到有害中间产物CO,但w(Ru)=9%时则出现线性吸附CO的红外吸收峰,从而影响其催化活性.进一步认识了Pt Ru催化剂对甲醇电氧化的催化机理.     

金属基氧电极材料催化机理研究进展

燃料电池作为一种高效、无污染的能源转换器件,受到广泛关注.其阴极氧还原反应是决定电池性能最重要、最关键的因素之一,也是制约其商业化的关键瓶颈因素之一.因此,研究和开发高效氧还原催化剂及其催化机理,对于燃料电池的发展和商业化进程具有十分重要的意义.在简要介绍燃料电池的基础上,综述了近年来金属基氧还原电极材料催化氧还原反应的机理,金属基氧还原电极材料包括Pt催化剂、Pt-M催化剂、杂原子掺杂碳载金属类催化剂等,总结了提高催化活性和稳定性、降低催化剂制备成本和催化剂制备工艺等方面所取得的研究结果,并指出了各类催化剂目前尚待解决的问题和发展方向.     

富含碳空位多孔碳电催化还原脱氯邻二氯乙烷性能研究

寻求经济、高性能的碳基材料对于电催化还原脱氯很有吸引力,然而由于掺杂剂或边缘效应与固有拓扑缺陷之间的复杂相互作用,拓扑缺陷对催化活性的贡献目前研究较少.利用两步活化法成功构建了富含碳空位的疏水分级多孔碳材料(Vc-GC),考察了其对邻二氯乙烷(DCE)的电催化还原脱氯性能,同时结合原位漫反射傅里叶红外光谱和理论计算分析了碳空位对材料催化活性的增强机制.结果表明,碳空位能有效调节材料的微观结构和电子云分布,增强材料对DCE的化学吸附作用,提高材料的吸附性能,且电子云重排提高了材料的导电性,进而促进电催化活性.其中Vc-GC的乙烯产率是低缺陷石墨碳(GC)和氧化活性炭(oAC)的1.4倍和3.6倍.同时,碳空位的存在能显著提高产物中乙烯的选择性,引入碳空位后,乙烯产率为氯乙烯产率的325.1倍,相比于oAC和GC分别提高了14倍和1.7倍.碳空位修饰显著提升了碳材料电催化活性,拓扑缺陷工程拓宽了进一步提高碳材料环境净化和能源转化性能的途径.     

Pt/C电催化剂碳载体热处理条件和性能研究

采用浸渍还原法,优化碳载体热处理条件,制备出具有高分散性、平均粒径为3.3nm的Pt/C电催化剂.通过TEM、XRD方法对催化剂进行结构表征;利用Pt/C薄膜电极结合CV法评价了电催化剂的性能.测试结果表明,采用VulcanXC 72碳黑,在600℃下、氮气(或氩气)中进行热处理,所制得的Pt/C电催化剂对氧还原反应具有良好的电催化活性.     

光电催化CO2还原技术研究进展

以用于光电催化CO₂还原的铜基光电阴极为研究对象．首先,分析了光催化、电催化和光电催化的基本原理,并总结了光电催化系统的主要优点．然后,从改善吸光能力、抑制光腐蚀、促进载流子分离、优化界面反应等方面对增强铜基光电阴极性能的策略进行了分析．通过对催化剂的形貌进行调控、负载吸光半导体和元素参杂可以提高吸光能力;通过表面包裹保护膜,可以有效抑制光腐蚀;通过表面空穴工程或引入石墨烯/还原氧化石墨烯、金属有机骨架和碳纳米管等材料,能够有效提高载流子分离率和传输效率;通过增加活性位点、引入局域等离子体效应和提高CO₂吸附性能,能够优化界面反应．最后,分析了连续流动反应器设计的最新研究进展,并对铜基光电阴极开发需解决的技术问题进行了展望．     

基于多孔碳制备铌氧化物/碳负载铂氧还原电催化剂的实验设计

利用多孔碳（C）的限域作用制备了铌（Nb）氧化物-碳复合载体负载铂（Pt）作为氧还原反应电催化剂.该实验在多孔碳中形成铌氧化物和单质铜（Cu）的混合物（NbO_xC@Cu）,并以此作为载体,通过金属铜置换铂离子最终形成多孔碳/铌氧化物负载铂催化剂（NbO_xC@Pt）,并进一步探究了该催化剂对氧还原反应的催化性能.结果表明：所制备的NbO_xC@Pt催化剂表现出优异的氧还原性能,其半波电位为878 mV,比活性为0.49 m·A·cm^-2,明显高于商业Pt/C催化剂.此外,该实验还发现在氢氩混合气中预处理样品可以明显提高催化剂的稳定性.该实验将新型结构的多孔碳/铌氧化物作为载体应用到电化学实验教学中,能开拓学生对电催化基础材料科学的认知.     

Cu基材料电催化二氧化碳深度还原研究进展

综述近年来Cu基材料电催化CO₂还原(ECR)生成多碳产物的研究进展,着重介绍ECR反应机理、Cu基催化材料的各种设计策略及电解池系统优化,并展望未来该领域的发展方向.结果表明:Cu基催化剂的优化和设计能够有效降低^*CO关键中间体产生及偶联的能垒,进而优化多碳产物的合成效率;原位检测技术时空分辨率的提升则有助于深入ECR认识反应机理,从而优化Cu基材料的设计合成.     

模板法制备氮掺杂多孔碳材料氧还原性能研究

以水溶性盐NaCl和Na_2SiO_3为双重模板,以葡萄糖为碳源,尿素为氮源,通过冷冻干燥以及随后的热解过程,合成了具有分级多孔结构的氮掺杂碳纳米片作为高效的氧还原催化剂,并探究了不同模板剂对碳纳米片性能的影响.结果表明,以NaCl和Na_2SiO_3为模板可使碳源、氮源分散,形成具有较大比表面积和分级多孔结构的碳纳米片.这种结构不但有利于提高催化剂和电解质的有效接触面积,促进氧分子的扩散,缩短电催化过程中电子和离子的传输路径,还有助于产生更多的活性位点,提高氧还原催化性能.