碳化的MOF用于电催化还原二氧化碳制备乙烯和乙醇

电化学催化还原二氧化碳是一种有效的能源储存手段。探索具有高乙烯选择性和高产率的高效电催化剂是非常必要的,但仍然具有挑战性。通过对金属有机骨架（Cu-BTC）的简单碳化制备了多孔Cu-Cu₂O/C催化剂,用于高效且选择性地电催化CO₂还原为C₂₊产物。碳化的MOF表现出优异的还原CO₂为C₂₊的性能,在电位为-1.3 V（vs RHE）时,C₂₊的最大法拉第效率（FE）为47.8%,其部分电流密度为4.33 mA·cm^-2。研究表明,较低的碳化温度有助于保留Cu-MOF的形貌,抑制活性金属位点团聚,而多孔特性也能提升其电化学活性面积,进而提高其对CO₂电化学还原为C₂₊产物的性能。     

碳化的MOF用于电催化还原二氧化碳制备乙烯和乙醇

电化学催化还原二氧化碳是一种有效的能源储存手段。探索具有高乙烯选择性和高产率的高效电催化剂是非常必要的,但仍然具有挑战性。通过对金属有机骨架（Cu-BTC）的简单碳化制备了多孔Cu-Cu₂O/C催化剂,用于高效且选择性地电催化CO₂还原为C₂₊产物。碳化的MOF表现出优异的还原CO₂为C₂₊的性能,在电位为-1.3 V（vs RHE）时,C₂₊的最大法拉第效率（FE）为47.8%,其部分电流密度为4.33 mA·cm^-2。研究表明,较低的碳化温度有助于保留Cu-MOF的形貌,抑制活性金属位点团聚,而多孔特性也能提升其电化学活性面积,进而提高其对CO₂电化学还原为C₂₊产物的性能。     

银修饰铜纳米阵列用于电催化还原CO2

二氧化碳的电化学转化为气态或液体燃料具有存储可再生能源以及减少碳排放的潜力。报道了一种Ag修饰Cu纳米阵列作为二氧化碳电化学还原催化剂的简单合成方法。首先，在铜箔上通过阳极氧化生成Cu(OH)₂纳米阵列，然后经过原位电化学还原得到Cu纳米阵列，最后通过Cu纳米阵列和Ag⁺前驱体之间的电化学置换来生成Ag修饰的Cu纳米阵列。Ag修饰铜纳米阵列增强了电化学还原二氧化碳的催化性能，相较于未经修饰的铜纳米阵列，Ag修饰Cu纳米阵列电催化还原CO₂生成C₂H₄的法拉第效率提升了158%,同时，修饰后的电极对于C₂₊产物的选择性提升了121%。其对CO₂电催化性能的提升和对氢气的抑制归因于Ag和Cu的协同催化效应。     

氮掺杂碳限域的花状SnS催化CO2电还原制甲酸

合理设计高效的电催化剂是二氧化碳电化学还原（CO₂ER）为高附加值化学品和燃料的关键。本文利用水热-煅烧法制备了氮掺杂碳限域的花状SnS催化剂（SnS@NC）并研究了其电催化CO₂的特性。基于超薄氮掺杂碳层的限域效应，SnS的层厚由原始的30nm缩减至20nm，电化学活性面积明显增强，同时氮掺杂碳层增强了对CO₂的吸附和活化。SnS@NC催化CO₂转化为甲酸的能力明显增强，在-1.3V（vs. RHE）的H型电解池中法拉第效率为81.2%，电流密度为29.5mA/cm²，本文为金属硫化物复合催化剂功能化提供了新策略。     

超亲气泡沫铜纳米线电极电化学还原CO2性能

利用可再生电能进行电化学还原CO₂被认为是一种有前景的储能和减排技术,但在阴极发生析氢副反应,将降低电化学还原CO₂的性能。采用泡沫铜为基底制备铜纳米线电极扩展电极的电化学活性面积,然后通过十七氟癸基三甲基硅烷对电极进行亲气处理,使电极表面从疏气状态变为超亲气状态,从而强化气相反应物CO₂传质,增加反应三相接触线,提高电极的电化学还原CO₂性能。实验结果表明：与未亲气处理的泡沫铜纳米线电极相比,所制备的超亲气泡沫铜纳米线电极虽然具有较小的电化学活性面积,但其超亲气的特性更有利于CO₂的传质,抑制了电解液中氢离子的传输,有效削弱了析氢副反应的发生。在电解电位为-1.5V (vs. Ag/AgCl)时,H2法拉第效率降低了17.7%,电化学还原CO₂性能提升。     

光催化生物质制甲醇/合成气成功

<正>中科院大连化物所王峰研究员团队创新性地利用光催化的方法,实现了室温条件下生物质裂解制备甲醇和合成气,为生物质转化利用提供了新思路。该团队发展了一种室温下光催化生物质制备甲醇和合成气的方法。在紫外光激发的条件下,以二氧化钛纳米棒负载的铜为光催化剂,多元醇和糖类分子在室温下生成甲醇和合成气。气相产物主要为一氧化碳和二氧化碳,通过催化剂的能级结构、表面缺陷和溶剂体系调控,可以调节一氧化碳和二氧化碳的比例,一氧化碳的选择性可以达到90%。     

γ-Fe2O3空心球/Fe-N-C宽电位窗口选择性电催化还原CO2为CO的研究

Fe-N-C材料是一类重要的电催化还原CO₂为CO的催化剂,但其只能在较正的电位和较窄的电位窗口实现CO的高选择性,不能满足串联催化中CO被进一步还原的要求。因此,以高纯Fe(phen)₃Cl₂(phen=1,10-邻菲罗啉)晶体和ZIF-8为前驱体,通过热解得到新颖的Fe-N-C担载γ-Fe₂O₃空心球材料。利用SEM、HR-TEM、XRD、XPS等对催化剂进行表征,并对其电催化还原CO₂的性能进行测试。结果表明,该催化剂在-0.5～-1.1 V(相对于可逆氢电极)宽电位窗口表现出优异的CO选择性(CO的法拉第效率大于97%),且在-0.6 V连续电解2 h后电流密度和CO的法拉第效率均基本保持不变,表现出卓越的稳定性。     

以水为氧、氢源电催化氧化与还原有机物的研究

利用煅烧法合成了Cu₃P,以水为氧源探究其在碱性条件下对4-甲氧基苄胺脱氢氧化反应的催化性能。结果表明，在0.1 mol/L KOH中，4-甲氧基苄胺被氧化为4-甲氧基苯甲腈，选择性达到98.9%,法拉第效率为99.1%。4-硝基苯酚被还原为4-氨基苯酚，选择性为100%,法拉第效率为96%。同时，对乙腈进行还原，基本没有副产物，全部转化为乙胺，最后进行耦合全反应体系。     

光化学法制备过渡金属-氮共掺杂多孔炭基CO2电还原催化剂

过渡金属-氮共掺杂炭材料是一类高效的CO₂电还原催化剂。以热解聚合物制备的氮掺杂炭材料为载体,浸渍镍源,经红外灯光照2 h,利用光化学法制备了高分散的镍-氮-碳催化剂（Ni/NC）。采用扫描电镜（SEM）、物理吸附、粉末X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）等手段对催化剂的形貌、结构、物相和组成进行了分析,并评价了催化剂的CO₂电还原反应性能。电化学性能测试结果表明,在0.5 mol/L的KHCO₃电解液中,镍的负载量为2 %（质量分数）时催化性能最好,CO分电流密度得到有效提升,塔菲尔斜率为492 mV/dec,起始过电位为286 mV;在-0.6 V（vs.RHE）下,CO的法拉第效率为78%,在-1.0 ~-0.5 V（vs.RHE）内,n（CO）/n（H₂）=0.5~3.6。     

水溶液中铑卟啉固载热裂解碳电极催化二氧化碳电化学还原反应

利用循环伏安曲线及在线检测技术研究了铑原卟啉固载热裂解碳电极催化二氧化碳电化学还原反应。研究结果表明铑卟啉对二氧化碳电化学还原反应具有催化活性,在pH=3时所得主要产物为甲酸,其法拉第效率在-1.2 V时可达50%。铑卟啉催化二氧化碳电化学还原反应高度依赖于反应体系的pH值。pH=1时,氢气是唯一的产物,说明铑卟啉是较好的析氢反应催化剂。当pH=3时,钴卟啉催化二氧化碳电化学还原的产物选择性发生了极大的变化,主要产物是甲酸。综上所述,铑卟啉催化二氧化碳电化学还原反应的第一个关键中间体可能是[RhPP-H],随后CO_2插入金属氢键中形成[RhPP-COOH]中间体,再通过质子-电子耦合反应生成最终产物甲酸。     

铁基催化剂光催化还原CO2研究进展

利用可再生清洁能源——太阳能,将CO₂转化为一氧化碳、甲烷、甲醇等,因同时具有提供可持续燃料和解决全球变暖问题的潜力而受到越来越多的关注。铁基材料因具有金属/半导体的特性和独特的电子结构,在光催化还原CO₂领域具有广阔的应用潜力。基于此,各种具有高催化活性的铁基催化剂已经被设计来提高光催化还原CO₂的效率。概述了近年来铁基催化剂在光催化还原二氧化碳中的研究进展,对它们的结构特征和催化活性进行了阐述和比较,最后总结了铁基催化剂在光催化还原CO₂领域中待解决的问题,并展望了未来发展的方向。     

电催化还原二氧化碳制一氧化碳催化剂研究进展

电催化还原CO₂作为缓解能源危机和全球变暖的有效途径已成为催化领域的研究热点。然而,不同反应途径的氧化还原电位较为接近,使产物的选择性成为电催化还原CO₂所需解决的主要问题。迄今为止,在水性电解质中可实现CO₂选择性地转化为一氧化碳（CO）和甲酸（HCOOH）。本文简述了电催化还原CO₂制CO的机理,包括CO₂吸附过程、二电子转移过程和CO脱附过程。从贵金属的晶面设计、形貌调控和表面功能化对反应活性和产物选择性的影响,铁卟啉、钴酞菁和镍三嗪在还原CO₂为CO反应中的电子转移途径,非金属碳基材料中杂原子和碳基质间的耦合效应等方面,重点介绍了近年来贵金属催化剂、过渡金属络合物催化剂和非金属碳基材料催化剂的研究进展,总结了各类催化剂的优缺点。指出在三类电催化还原CO₂制CO的催化剂中,非金属碳材料具有较高的CO法拉第效率,尤其是非金属碳材料成本较低、制备简单、结构易调控,在电催化还原中具有潜在的应用优势,是有望实现商业化应用的新型催化剂的候选材料之一。     

碳毡负载Sn气体扩散电极CO2电化学还原性能

针对CO₂电化学还原中气体扩散电极可强化CO₂的传质,基于碳毡制备了负载锡-石墨烯催化层的新型气体扩散电极,研究了CO₂反应条件、电极厚度、催化剂载量及反应电位对CO₂电化学还原性能的影响。实验结果表明：与溶解态CO₂反应条件相比,采用气相CO₂反应条件电化学还原性能更好;一定范围内增加电极厚度和催化剂载量可以增加气-液-固三相反应界面,提升CO₂电化学还原性能;随着电解电位负移,甲酸产量增加,电流效率先增大后减小;实验中使用厚度为5 mm、载量为5 mg·cm^-2的电极,在-1.8 V（vs Ag/AgCl）条件下进行电化学还原时,平均电流密度为（12.79±1.27） mA·cm^-2,甲酸电流效率达到最佳为41.55%±2.50%。     

卤族元素对Ag电极电催化还原CO2的影响

通过在电解液中加入卤族元素，系统地研究了卤族元素对于CO的选择性和反应速率的影响。结果表明，卤族元素对于CO₂的还原反应具有促进作用，并按照Cl^- < Br^- < I^-的顺序递增。Cl^-和Br^-对CO₂还原反应和析氢反应都具有催化作用，而I^-的存在加快了CO的生成，对析氢反应没有明显影响。在过电势为590 mV时，CO在有I-溶液中的选择性是无I^-溶液的28倍。经过表征和分析后得出，I^-具有较强的吸附性能，通过化学吸附使催化剂表面形貌发生改变，CO的活性位增多，加快其反应速率。同时，I^-在反应过程中易向反应表面传输负电荷，增加与碳原子的相互作用，从而提高CO的生成速率。     

NH4Cl辅助热解制备镍-氮-碳纳米管催化剂及其电还原CO2性能

二氧化碳（CO₂）的资源化利用是实现“碳达峰,碳中和”的重要手段。在众多CO₂转化技术当中,电催化CO₂还原反应因反应条件温和、工艺过程简单等优点,被认为是极具应用前景的减碳技术之一,其关键在于高效、高稳定性电催化剂的开发。过渡金属-氮-碳（M-N-C）材料是电还原CO₂生成CO的有效催化剂,针对其高温热解制备过程中活性金属原子容易聚集且氮原子流失严重,进而使得活性位密度降低,催化性能下降等问题,本文提出以双氰胺（DCDA）为碳源和氮源,以乙酰丙酮镍（Ni（acac）₂）为金属源,以氯化铵（NH₄Cl）为第二氮源和造孔剂,采用简单的NH₄Cl辅助热解-酸刻蚀的方法制备得到镍-氮-碳纳米管（Ni-N-CNTs）电还原CO₂催化剂,并详细考察NH₄Cl添加量对催化剂结构和催化性能的影响。表征结果表明：NH₄Cl的加入有利于催化剂纳米管状形貌和多级孔结构的生成,同时有利于催化剂中Ni-Nx （1.6%,摩尔分数）和pyridinic-N （1.75%,摩尔分数）物种含量的增加。一系列性能测试结果表明：催化剂的活性中心为Ni-Nx,同时pyridinic-N的存在也有利于催化性能的提高,当前体中NH₄Cl加入量与氮源和金属源总质量比为1∶1时,所得Ni-N-CNTs-1催化剂催化性能最好,在电压为-0.65 V （vs RHE）时,CO法拉第效率最高达92%,此时CO部分电流密度为8 mA·cm^-2。此外,该催化剂还表现出良好的催化稳定性,连续恒电位电解12 h,催化性能基本不变。该催化剂制备工艺简单,制备条件可控,研究结果可为高效M-N-C电还原CO₂催化剂的设计和制备提供一种切实有效的研究思路和方法。     

NH4Cl辅助热解制备镍-氮-碳纳米管催化剂及其电还原CO2性能

二氧化碳（CO₂）的资源化利用是实现“碳达峰,碳中和”的重要手段。在众多CO₂转化技术当中,电催化CO₂还原反应因反应条件温和、工艺过程简单等优点,被认为是极具应用前景的减碳技术之一,其关键在于高效、高稳定性电催化剂的开发。过渡金属-氮-碳（M-N-C）材料是电还原CO₂生成CO的有效催化剂,针对其高温热解制备过程中活性金属原子容易聚集且氮原子流失严重,进而使得活性位密度降低,催化性能下降等问题,本文提出以双氰胺（DCDA）为碳源和氮源,以乙酰丙酮镍（Ni（acac）₂）为金属源,以氯化铵（NH₄Cl）为第二氮源和造孔剂,采用简单的NH₄Cl辅助热解-酸刻蚀的方法制备得到镍-氮-碳纳米管（Ni-N-CNTs）电还原CO₂催化剂,并详细考察NH₄Cl添加量对催化剂结构和催化性能的影响。表征结果表明：NH₄Cl的加入有利于催化剂纳米管状形貌和多级孔结构的生成,同时有利于催化剂中Ni-Nx （1.6%,摩尔分数）和pyridinic-N （1.75%,摩尔分数）物种含量的增加。一系列性能测试结果表明：催化剂的活性中心为Ni-Nx,同时pyridinic-N的存在也有利于催化性能的提高,当前体中NH₄Cl加入量与氮源和金属源总质量比为1∶1时,所得Ni-N-CNTs-1催化剂催化性能最好,在电压为-0.65 V （vs RHE）时,CO法拉第效率最高达92%,此时CO部分电流密度为8 mA·cm^-2。此外,该催化剂还表现出良好的催化稳定性,连续恒电位电解12 h,催化性能基本不变。该催化剂制备工艺简单,制备条件可控,研究结果可为高效M-N-C电还原CO₂催化剂的设计和制备提供一种切实有效的研究思路和方法。     

络合物法制备镍-氮共掺杂炭基二氧化碳电催化剂

过渡金属-氮共掺杂炭基催化剂广泛应用于电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）。为解决催化剂存在的催化活性及选择性问题,以乙二胺与硝酸镍发生配位反应形成的三乙二胺合镍小分子络合物作为氮源和镍源,分别以亲水氧化石墨烯及疏水炭黑为载体,得到两类镍-氮共掺杂多孔炭基催化剂。通过X射线衍射及透射电镜等手段分析了镍物种在不同处理阶段的存在形式。CO₂RR性能测试表明,同一炭载体具有不同金属负载量的催化剂经过酸洗处理除去镍纳米颗粒后,一氧化碳分电流密度得到明显提升,表明原子级分散的镍物种是CO₂RR的活性位点。在-0.8 V（vs.RHE）,不同催化剂的一氧化碳法拉第效率均达到90%。与亲水炭材料作为载体相比,疏水炭材料为载体制备的催化剂一氧化碳分电流密度更高,这表明疏水炭载体有利于过渡金属络合物在载体骨架中的负载与分散,进而抑制后续处理过程中活性物质的损失,从而获得高活性的镍-氮共掺杂炭基电催化剂。     

Methanol synthesis from CO2-rich syngas over a ZrO2 doped CuZnO catalyst

ZrO₂-doped CuZnO catalyst prepared by successive-precipitation method was investigated by ICP-AES, BET, TEM, XRD, EXAFS, H₂-TPR and CO/CO₂ hydrogenation. The active phase of copper in CuZnO catalyst prepared by co-precipitation method was well-crystallized. The presence of ZrO₂ led to a high copper dispersion, which was distinctive from CuZnO. Though the activity for carbon monoxide hydrogenation was little lower than that of CuZnO catalyst, ZrO₂-doped CuZnO catalyst showed much higher activity and selectivity towards methanol synthesis from carbon dioxide hydrogenation. Moreover, ZrO₂-doped CuZnO catalyst showed high performance for methanol synthesis from CO₂-rich syngas.