铜-锑双金属合金高效电催化还原二氧化碳制乙烯

随着全球工业化进程的快速发展,日益增多的人类活动不仅加速化石燃料的消耗,还会导致温室气体二氧化碳(CO2)的大量排放.同时,CO2也是廉价、无毒无害、储量丰富的C1资源,将其转化为有价值的化学品具有碳资源合理利用和环境保护的双重意义.近年来,采用电化学方法温和条件下还原CO2为重要化学品和燃料引起广泛关注.其中,探索廉价电催化剂,高效催化还原CO2为C2产物仍是一个具有挑战性的课题.铜基催化剂由于自身低成本和可还原CO2为多种碳氢产物的优点而备受关注.然而,铜基电催化材料具有选择性差、失活严重和效率低等缺点,并且在电催化还原CO2过程中需要较高的过电位,反应过程中会受到氢气析出副反应的影响.为了得到一种化学性质稳定、高电流密度和高选择性等优点的材料在电催化CO2还原中得到了广泛的研究.然而,单纯的铜催化剂对CO2分子的活化以及反应中间体的吸附能力较低,导致了铜基材料催化剂电催化CO2还原活性及选择性较低.因此,开发出可实际应用的高效率和高选择性的电极材料是当前该技术研究中亟待解决的关键科学问题.近年来,铜基二元合金在电催化CO2还原反应中受到广泛关注.由于二元金属的电子结构和各元素的电子结合能发生变化,其催化活性明显优于单金属催化剂.因此,铜基双金属合金在提高CO2还原产物选择性方面具有广阔的前景.本文采用低温还原的方法制备了一系列不同组成的Cu-Sb双金属合金,系统研究了一系列不同配比的Cu-Sb双金属合金对电催化还原CO2为乙烯的影响.研究发现,当Cu/Sb比例为10/1(Cu10-Sb1)时,可有效提高乙烯的法拉第效率及电流密度.当以0.1 M KCl水溶液作为电解液,电位为-1.19 V vs.RHE时,乙烯的法拉第效率和电流密度分别为49.73%和28.5 mA cm-2.实验结果表明,Cu-Sb双金属合金催化剂优异的催化性能主要源于适宜的电子态、良好的CO2吸附性能、较大的电化学比表面积和较高的电子传输速率.迄今,用Cu-Sb作为催化剂进行电催化还原CO2制乙烯尚未见报道.     

二氧化碳电催化还原产乙烯:催化剂、反应条件和反应机理

电化学还原二氧化碳为乙烯不仅能缓解温室效应而且能得到高附加值的石油化工产品乙烯。本文综述了近年来电催化还原二氧化碳产乙烯的研究进展,着重介绍了能将二氧化碳还原为乙烯的电催化剂,其中铜基催化剂是高选择性产生乙烯的有效电极材料,对铜催化剂进行掺杂、改性和修饰能够在保持催化剂高选择性产生乙烯的同时提高催化剂的稳定性和活性。本文还涉及了电催化条件下乙烯形成的机理以及反应条件对乙烯选择性的影响,简要介绍了二氧化碳在催化剂表面的三种吸附态和Cu(100)晶面形成乙烯的机理,以及不同电位、温度、压力、电解液组成和pH值对乙烯选择性的影响。最后,总结并展望了二氧化碳电催化还原产乙烯催化剂开发亟待解决的问题和未来的发展方向,期望为新型催化剂的构筑提供有益参考。     

Cu-In二元金属催化剂上CO_2电化学还原 （英文）

石油、天然气和煤等化石能源的转化利用不可避免排放大量的CO_2,造成一系列生态和环境问题.CO_2电化学还原可以在温和反应条件下将CO_2转化为CO或甲酸等,近年来受到研究者广泛关注,但因CO_2具有很稳定的化学结构,CO_2电化学还原要求催化剂具有高的活性,选择性和稳定性.贵金属如金和钯可以有效地将CO_2转化为相应的燃料如CO和甲酸等,但贵金属昂贵的价格限制了其大规模应用,所以迫使人们寻找非贵金属催化剂来替代它们.铟及其合金被应用于CO_2电化学还原生成甲酸,但在低过电位下,这些催化剂的电流密度和选择性都不理想.铜基催化剂也能催化CO_2电化学还原生成甲酸,但在短时间内稳定性较差.因此,需要进一步提高In和Cu催化剂上CO_2电化学还原的电流密度和稳定性.一种可能的解决方案是构建Cu-In双金属催化剂,通过两者的协同作用,有望提升在低过电位下CO_2电化学还原生成甲酸的电流密度和稳定性.在本工作中,我们通过氢气模板法制备出具有树枝状结构的Cu,然后在其表面均匀电沉积金属In.通过两步电沉积法制备出一种具有树枝状结构的Cu-In二元金属催化剂.控制电沉积In的时长分别为1.5,7.5,15,30和60 min.根据SEM及EDX元素分布图谱可知,随着电沉积In时间的增加,In在Cu表面的覆盖率逐渐增高.我们还研究了In的电沉积时间与其电化学活性表面积(ESA)之间的关系.结果表明,In的电沉积时间与其电化学活性表面积成正比,且当电沉积时间达到30 min时,电极具有最大的电化学活性表面积.具有树枝状结构的Cu-In-30催化剂ESA数值为8.7 cm~2,而不具备树枝状结构的In-30催化剂的ESA数值仅为2.4 cm~2.在-0.65 V vs.RHE至-1.05 V vs.RHE电位窗口中,与其它催化剂相比,Cu-In-30催化剂上CO_2电化学还原生成甲酸的法拉第效率最高可达87.4%.树枝状结构的Cu-In-30催化剂由于具有开放的三维结构,所以能够暴露出更多的活性位,从而提高了催化剂的电化学性能.在-0.85 V vs.RHE电位下,甲酸分电流密度可达42.0 m A cm~(-2),且具有较高的电化学稳定性(12 h).而不具有树枝状结构的In-30催化剂生成甲酸的法拉第效率为57.0%,且甲酸分电流密度为4.6 m A cm~(-2).     

过渡金属修饰对铜箔电催化还原CO_2的性能影响（英文）

CO_2还原是一种解决温室效应以及能源短缺问题的有效方式.目前对于水溶液体系中的CO_2还原,主要有光催化、电催化以及光电催化等方法,其中还原CO_2法可在室温下进行,并较易实现大规模应用.由于金属电极在CO_2电催化还原过程中表现较高电流密度和催化性能,使得目前研究的热点集中于金属电极的修饰改性.金属Cu与H2,CO结合能力适中,并且对生成碳氢化合物具有较好的催化性能,因此其在催化CO_2还原中具有较大潜力.以往对于Cu的研究主要集中在表面修饰、调控表面结构以及制备合金等方向,其中对金属进行氧化后再还原的处理也是提高其催化活性的一种有效手段.氧化后还原得到的铜具有较大的粗糙度,且暴露的活性位点更多,对CO_2还原具有较好的催化活性.我们对铜箔在空气氛围下、300oC焙烧5 h,然后恒电位还原,再进行过渡金属Ni、Zn、Au的修饰,研究所得样品电催化还原CO_2性能.电极的表面形貌用扫描电镜表征,CO_2还原的液相和气相产物分别用核磁和在线气相色谱进行检测.修饰后电极的形貌没有发生太大变化,仍具有十分粗糙的表面结构.通过线性扫描伏安曲线可以看出,修饰Zn、Au后电流密度较未修饰前有明显增加,但是由于CO_2还原过程中不可避免地伴随析氢副反应,因此,我们通过计算产物的法拉第效率来表征修饰后的电极对产物选择性的改变:未修饰时,在-1.2至-1.6 V均可检测到甲酸的生成,电位负于-1.4 V时可以检测到乙醇和正丙醇.Ni的修饰明显提高了甲酸的法拉第效率,也促进了正丙醇的生成.-1.3 V时甲酸的法拉第效率为26.0%,-1.5 V时液相产物的法拉第效率为34.3%.在线气相色谱结果发现,Ni的修饰也明显提高了CO的法拉第效率,在-1.4 V下,CO的法拉第效率为44.6%.这可能是由于Ni(r=0.1246 nm)的原子半径比Cu(r=0.1278 nm)更小,因此Ni的修饰会使Cu发生晶格收缩、导致d带中心下移而降低了CO的结合能,从而更易生成CO和HCOOH;而修饰Ni后对CO_2还原产物正丙醇的提高可能是由于Ni的引入促进了C–C键的形成.修饰Zn后,甲酸的产率明显下降,在-1.6 V下甲酸的法拉第效率只有14.8%,但是乙醇与正丙醇的法拉第效率分别为1.6%与2.0%,相较于未修饰的电极略有提高.修饰Au后,液相产物甲酸及醇类的法拉第效率明显下降,在-1.5 V下,甲酸的法拉第效率只有7.9%,且只检测到少量的乙醇,未检测到正丙醇的生成,这可能与Au修饰后的电极对CO_2还原中间体CO的吸附较弱有关,生成的CO中间体更易从表面脱附,而难以被进一步还原.     

Cu分隔开的Pd单原子用于乙炔选择加氢:Cu担载量的影响（英文）

大量乙烯中少量乙炔的去除是化工生产中的重要过程之一,理想途径是将其选择加氢生成乙烯.负载型Pd催化剂因具有很高的乙炔转化率而被广泛用于该过程,但乙烯选择性很低,同时会使原料气中的乙烯被加氢,造成原料气的浪费.采用其它元素对Pd纳米粒子表面修饰,覆盖部分活性位,可以在一定程度上提高乙烯选择性,但是会大大降低Pd的利用率.因此,制备兼具高活性和高选择性且经济实用的催化剂,仍是这一过程亟待解决的主要问题之一.我们的前期工作中,将Pd与IB族金属(Au,Ag,Cu)分别结合制备得到了一系列含Pd的合金单原子催化剂(SAC),发现它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.其中,Pd的用量仅为ppm级别,大大提高了Pd的利用率.作为IB族最为廉价的金属,Pd与Cu形成的合金SAC在提高Pd原子利用率的同时,能够进一步降低催化剂的经济成本.然而,当形成合金SAC时,Cu/Pd原子比例的极限值仍然不确定.本文通过固定Pd的担载量,采用简单的等体积共浸渍的方法,制备了一系列不同Cu/Pd原子比例的氧化硅负载的双金属催化剂.首先,我们采用程序升温还原(TPR)和X射线衍射(XRD)对催化剂的还原能力和双金属纳米粒子的尺寸进行了考察.进一步,采用X射线吸收光谱(XAS,包括EXAFS和XANES)对双金属催化剂中Pd的配位环境进行了分析.最后,结合它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中的催化性能,对形成合金SAC时Cu/Pd原子比例进行了讨论.TPR结果显示,Cu与Pd结合时会促进双金属纳米粒子的还原.XRD结果表明,随着Cu含量的降低,双金属纳米粒子的尺寸明显减小.XANES结果证实,当Pd与Cu结合时,Pd会带有部分负电荷,这也与Pd的电负性大于Cu相一致.通过对EXAFS拟合结果进行分析,我们发现当Cu/Pd的原子比例≥40/1时,Pd原子可以被Cu原子完全分隔开,形成含Pd的合金SAC,使其在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.通过对还原温度的考察,我们发现还原温度由250 oC升高到400 oC时,对同一催化剂的催化性能影响不大;EXAFS拟合结果显示,对比分别经过250和400 oC还原后的催化剂,Pd的配位环境变化不明显,这可能是导致催化性能相似的主要原因.     

Cu分隔开的Pd单原子用于乙炔选择加氢:Cu担载量的影响

大量乙烯中少量乙炔的去除是化工生产中的重要过程之一,理想途径是将其选择加氢生成乙烯.负载型Pd催化剂因具有很高的乙炔转化率而被广泛用于该过程,但乙烯选择性很低,同时会使原料气中的乙烯被加氢,造成原料气的浪费.采用其它元素对Pd纳米粒子表面修饰,覆盖部分活性位,可以在一定程度上提高乙烯选择性,但是会大大降低Pd的利用率.因此,制备兼具高活性和高选择性且经济实用的催化剂,仍是这一过程亟待解决的主要问题之一.我们的前期工作中,将Pd与IB族金属(Au,Ag,Cu)分别结合制备得到了一系列含Pd的合金单原子催化剂(SAC),发现它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.其中,Pd的用量仅为ppm级别,大大提高了Pd的利用率.作为IB族最为廉价的金属,Pd与Cu形成的合金SAC在提高Pd原子利用率的同时,能够进一步降低催化剂的经济成本.然而,当形成合金SAC时,Cu/Pd原子比例的极限值仍然不确定.本文通过固定Pd的担载量,采用简单的等体积共浸渍的方法,制备了一系列不同Cu/Pd原子比例的氧化硅负载的双金属催化剂.首先,我们采用程序升温还原(TPR)和X射线衍射(XRD)对催化剂的还原能力和双金属纳米粒子的尺寸进行了考察.进一步,采用X射线吸收光谱(XAS,包括EXAFS和XANES)对双金属催化剂中Pd的配位环境进行了分析.最后,结合它们在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中的催化性能,对形成合金SAC时Cu/Pd原子比例进行了讨论.TPR结果显示,Cu与Pd结合时会促进双金属纳米粒子的还原.XRD结果表明,随着Cu含量的降低,双金属纳米粒子的尺寸明显减小.XANES结果证实,当Pd与Cu结合时,Pd会带有部分负电荷,这也与Pd的电负性大于Cu相一致.通过对EXAFS拟合结果进行分析,我们发现当Cu/Pd的原子比例≥40/1时,Pd原子可以被Cu原子完全分隔开,形成含Pd的合金SAC,使其在大量乙烯存在条件下的乙炔选择加氢反应中表现出优异的催化性能.通过对还原温度的考察,我们发现还原温度由250 oC升高到400 oC时,对同一催化剂的催化性能影响不大;EXAFS拟合结果显示,对比分别经过250和400 oC还原后的催化剂,Pd的配位环境变化不明显,这可能是导致催化性能相似的主要原因.     

CuPd催化剂调节中间反应能垒提高电催化CO2生成二碳产物的选择性

过度的碳排放已造成了严重的全球环境问题,电催化CO2还原是一种利用间歇性过剩电能将CO2转化为有价值的化学物质的有效策略.在多种CO2还原产物中,二碳(C2)产物(如乙烯、乙醇)因其比一碳产物(如甲酸、甲烷、甲醇)具有更高的能量密度而备受关注.Cu是唯一能用电化学方法将CO2转化为多碳产物的单金属催化剂.如何提高Cu基催化剂上CO2还原为C2产物的效率已引起了极大关注.电催化还原CO2生成C2产物有两个重要步骤:一是参与碳碳偶联反应的CO*中间体的量(*代表中间体吸附在基底表面),二是碳碳偶联步骤的能垒.对于Cu单金属催化剂,虽然其表面碳碳偶联步骤的能垒相对较低,但是Cu对CO2的吸附能力和CO2*加氢能力并不高,导致在Cu表面不能生成足量的CO*中间体参与碳碳偶联反应,因而对C2产物的选择性和活性并不理想.与Cu单金属催化剂相反,在Pd单金属催化剂表面,CO*中间体的形成具有超快的反应动力学,但是CO*易在Pd表面中毒且后续碳碳偶联步骤的能垒极高,使其表面不能生成C2产物.为了充分发挥Cu(碳碳偶联步骤能垒较低)和Pd(CO*形成具有超快反应动力学)的双重优势,本文构建了一种紧密的CuPd(100)界面,以调节中间反应能垒,从而提高C2产率.密度泛函理论(DFT)计算表明,CuPd(100)界面增强了CO2的吸附,且降低了CO2*加氢步骤的能垒,从而能够催化生成更多的CO*中间体参与碳碳偶联反应.且CuPd(100)界面上CO2还原为C2产物的电位决定步骤能垒为0.61 eV,低于Cu(100)表面的(0.72 eV).本文采用了一种简便的湿化学法制备了CuPd(100)界面催化剂.X射线衍射和X射线光电子能谱测试以及扩展X射线吸收精细结构光谱结果表明,合成的是相分离的CuPd双金属催化剂,而非CuPd合金催化剂.同时高分辨透射电镜可以观察到清晰的CuPd(100)界面.由此可见,本文成功合成了CuPd(100)界面催化剂.程序升温脱附实验结果表明,CuPd(100)界面对CO2和CO*的吸附比Cu强,结果与理论预测一致.气体传感实验结果表明,CuPd(100)界面CO2*加氢能力比Cu强.为评估CuPd(100)界面催化剂的催化活性,进行了CO2电化学还原实验.结果表明,在0.1 mol/L的KHCO3电解液中,CuPd(100)界面催化剂在–1.4 VRHE下,C2产物的法拉第效率为50.3％ ±1.2％,是同电位下Cu催化剂的(23.6％ ±1.5％)的2.1倍,C2产物的选择性是Cu催化剂的2.4倍,且具有更高的电流密度和更大的电化学活性面积.本文通过调控中间反应能垒以合理设计铜基CO2还原电催化剂提供了参考.     

太阳能驱动Ni-N掺杂多孔碳高效电催化还原CO2为CO

利用可再生能源将二氧化碳(CO2)电催化还原为有价值的化学品和燃料,不仅可缓解温室效应,而且可实现碳资源的循环利用。以蛋白胨与盐形成的凝胶为原料,经高温热解后制备了用于电还原CO2的Ni-N掺杂碳多孔催化剂。该催化剂表现出优异的电催化还原CO2为CO的性能,在电压为-0.66 V(vs.RHE)下,CO的法拉第效率为92.0%,过电位为550 mV,还原电流密度为2.5 mA·cm-2。该催化剂优异的CO2的电催化活性归因于其存在的Ni-N活性位点和高度多孔的结构。此外,利用太阳能电池产生的电能,该催化剂可持续进行CO2电催化还原为CO,为CO2的资源化利用提供了有价值的参考。     

氮掺杂碳包埋钴纳米粒子电催化合成过氧化氢

电催化还原氧是一种新兴的可持续生产过氧化氢(H2O2)的合成技术,寻找低成本、高活性和高选择性的电催化剂是该技术实际应用的关键.钴氮掺杂的碳材料因含有钴氮(Co-Nx)催化活性位,成为一类新兴的可促进H2O2电化学合成的材料.本文采用低能耗干式球磨外加控制热解的方法来制备包含许多Co-Nx结构的钴氮掺杂碳材料.该方法使用材料廉价,即将醋酸钴、2-甲基咪唑和Ketjenblack EC-600JD高纯度且导电的碳黑分别作为金属、氮和碳的前体.在酸性介质中的电化学测试结果表明,该材料的氧还原反应电流密度明显增加,同时起始电位向正方向移动.该催化剂在较大电位范围内对H2O2的选择性约为90％.H2O2整体电解实验表明,H2O2产率达到100mmol gcat?1 h?1,H2O2法拉第效率达到85％(0.3Vvs.RHE条件下2h).耐久性测试(在0.3Vvs.RHE条件下6h)表明,催化剂表现出相对稳定的性能,且在整个测试循环中,法拉第效率达到约85％,表明催化剂在实际应用中具有良好的耐久性.催化剂表现出较高的电催化合成H2O2活性和选择性可能是由于形成了Co-Nx活性位,以及酸性环境和应用电位等其它因素的影响.     

氮掺杂碳包埋钴纳米粒子电催化合成过氧化氢

电催化还原氧是一种新兴的可持续生产过氧化氢(H2O2)的合成技术,寻找低成本、高活性和高选择性的电催化剂是该技术实际应用的关键.钴氮掺杂的碳材料因含有钴氮(Co-Nx)催化活性位,成为一类新兴的可促进H2O2电化学合成的材料.本文采用低能耗干式球磨外加控制热解的方法来制备包含许多Co-Nx结构的钴氮掺杂碳材料.该方法使用材料廉价,即将醋酸钴、2-甲基咪唑和Ketjenblack EC-600JD高纯度且导电的碳黑分别作为金属、氮和碳的前体.在酸性介质中的电化学测试结果表明,该材料的氧还原反应电流密度明显增加,同时起始电位向正方向移动.该催化剂在较大电位范围内对H2O2的选择性约为90％.H2O2整体电解实验表明,H2O2产率达到100mmol gcat?1 h?1,H2O2法拉第效率达到85％(0.3Vvs.RHE条件下2h).耐久性测试(在0.3Vvs.RHE条件下6h)表明,催化剂表现出相对稳定的性能,且在整个测试循环中,法拉第效率达到约85％,表明催化剂在实际应用中具有良好的耐久性.催化剂表现出较高的电催化合成H2O2活性和选择性可能是由于形成了Co-Nx活性位,以及酸性环境和应用电位等其它因素的影响.     

电化学二氧化碳还原中的铜基催化剂

由于不断增加的二氧化碳排放导致全球变暖,且能源短缺等问题日益恶化,将二氧化碳电化学还原为高附加值化学品和燃料引起了极大的兴趣,设计高效催化剂对实现二氧化碳的高效选择性转化具有重要意义. 在所探索的各种催化剂中,铜基催化剂具有良好的开发潜力,可用于烃类生产. 本文综述了铜基电化学二氧化碳转化材料的最新进展. 分别从尺寸结构到不同形式（合金、氧化物）的铜基催化剂,以及分子催化剂等方面展开,重点讨论铜基催化剂上二氧化碳电解还原的反应机理. 最后,对未来高效铜基催化剂的设计提出展望,以促进二氧化碳转化的可持续发展.     

氮硫共掺杂高比表面中空碳球的制备及其在电催化二氧化碳还原中的应用（英文）

化石燃料是现代能源体系的重要支柱,其大量使用导致大气中CO_2浓度不断增加,加剧了全球变暖和环境恶化.因此,各国研究人员开发了大量技术手段以捕获和重新再利用CO_2这一丰富的碳资源.其中, CO_2电催化还原(CO_2RR)技术在减少CO_2排放和将其转化为有用化学品等方面极具潜力.但是, CO_2RR具有反应能垒高和动力学过程缓慢等特点,进而限制其转化效率,故使用传统的贵金属材料(Ag, Au, Cu及Pd等)作为CO_2RR高效的催化剂.然而,贵金属材料的大规模应用受限于它们成本高昂、稳定性差及环境毒性等缺点.在各类可替代贵金属催化剂中,碳材料因其廉价丰富、结构可调和导电性高的特点在CO_2RR应用上展现出诱人的前景,因此,探索合适的碳基催化剂在高效催化二氧化碳领域具有重要的研究价值和意义.本文通过简单有效的方法制备了一种氮硫共掺杂的高比表面的碳基催化剂(SZ-HCN)用于CO_2RR.首先利用表面活性剂胶束Triton X-100作为模板诱导调控,合成了具有中空结构的苯胺-吡咯共聚物,并以此为碳前驱体,通过一步热解共聚物和硫粉获得N和S共掺杂多孔碳,材料的高比表面积(1510 m2g–1)得益于中空结构和ZnCl_2盐造成的纳米孔结构.值得注意的是,高比表面的多孔结构且有效共掺杂N/S,能提供更多的高活性催化位点和有利于相关反应物种的传输.通过扫描电子显微镜、高分辨透射电子显微镜、高角环形暗场-扫描透射-元素分布、N2吸脱附等温分析及X射线光电子能谱等物理表征证实了催化剂材料的中孔结构和N/S共掺杂组分.进一步通过电化学测试分析和产物测试分析可知,电催化剂SZ-HCN在-0.60 V还原CO_2为CO的法拉第效率高达93%,明显抑制竞争反应HER.此外,在-0.60 V恒电位下连续20 h测试,依旧保持稳定的电流密度(-5.2 m A cm~(–2))和高的CO选择性,显示了出色的耐久性和潜在应用性.我们采用密度泛函数理论探究N和S掺杂的影响,模拟计算可知,相比单一N掺杂的催化剂, N, S共掺杂可以提供更多的活性位点,降低CO_2还原为CO反应中决速步生成COOH*的吉布斯自由能垒,进而提高催化活性.SZ-HCN催化剂展现出的优异CO_2RR活性和稳定性主要归因于:(1)N和S元素均匀掺杂到碳基体中,两者的协同效应导致碳电荷再分布形成高活性位点,提高本征活性;(2)高比表面的多级孔结构提供了丰富的三相接触界面和有利的传输通道,便于反应相关物种的快速转移.该碳基催化剂材料在替代贵金属应用于CO_2RR展示了一定的潜力.     

草酸在铂基Sb-Pb表面合金电极上的催化还原

将Sb Pb Pt/GC表面合金电极应用于草酸的电催化还原,发现所制备的催化剂电极具有较高的电催化活性,草酸还原的起始电位约－0.4 V,与通常使用的铅阴极相比,正移了大约600 mV.电化学原位红外反射光谱研究,证实所研制的催化剂可在较低的过电位下还原草酸生成乙醛酸,并具有较好的选择性.对于所研制的表面合金电催化剂的实际应用进行了探讨.     

基于金属氧化物材料的二氧化碳电催化还原（英文）

电催化方法还原二氧化碳制备高附加值化学品,在降低二氧化碳浓度、平衡碳循环和储存可再生途径产生的电能等方面展现较大潜力。通过设计高效电催化剂来降低二氧化碳电催化还原过程所需的过电位并提高产物的选择性和电流密度,对电催化还原二氧化碳的发展和应用具有重要意义。本文总结了金属氧化物基材料作为电催化剂在二氧化碳电还原中的最新研究进展,深入探讨了金属氧化物在催化反应中的作用、稳定性及结构性能关系,并对金属氧化物基材料在二氧化碳电还原中未来的设计和研究方向做出思考。     

固体电解质电解池一氧化碳电催化还原反应研究

以α-Zr(HPO4)H2O为质子固体电解质设计电解池, 于常温常压实现了CO电催化加氢还原反应, 反应产物与电极材料、 电流密度密切相关. Cu/ZrP电极表面反应主要产物是甲醛, 电流密度100 mA/cm2时, 甲醛的Faradic效率达到29.0 %, Fe/ZrP电极表面反应主要产物是乙烯, 电流密度100 mA/cm2-时, 乙烯的Faradic效率达到15.0%.     

铜基串联催化剂电催化CO2还原的研究进展

化石燃料的燃烧和其他人类活动排放了大量的CO₂气体,引发了诸多环境问题。电催化CO₂还原反应(CO₂RR)可以储存间歇可再生能源,实现人为闭合碳循环,被认为是获得高附加值化学品和燃料的有效途径。电催化CO₂RR涉及多个电子-质子转移步骤,其中^*CO通常被认为是关键中间体。铜由于对^*CO具有合适的吸附能,已被广泛证明是唯一能够有效地将CO₂还原为碳氢化合物和含氧化合物的金属催化剂。然而,纯Cu稳定性差、产品选择性低、过电位高,阻碍了工业级多碳产品的生产。构筑Cu基串联催化剂是提高CO₂RR性能的一种有前途的策略。本文首先介绍电催化CO₂RR的反应路线和串联机理。然后,系统地总结铜基串联催化剂对电催化CO₂RR的最新研究进展。最后,提出合理设计和可控合成新型电催化CO₂RR串联催化剂面临的挑战和机遇。     

单位点催化剂在电催化CO_2还原中的研究与进展

大气中二氧化碳(CO_2)浓度逐年升高,使温室效应和其他环境问题愈加严重.近年来,CO_2的电催化还原已经得到了广泛研究,如何提高电催化还原CO_2的催化剂的反应活性和选择性已是其中的主要挑战之一.本综述介绍了以单位点为催化中心的卟啉、类卟啉、单原子催化剂在提高催化性能中的成果,并对单位点类催化剂的催化机理和提高催化性能的原因进行了总结.     

过渡金属修饰对铜箔电催化还原CO2的性能影响

CO2还原是一种解决温室效应以及能源短缺问题的有效方式.目前对于水溶液体系中的CO2还原,主要有光催化、电催化以及光电催化等方法,其中还原CO2法可在室温下进行,并较易实现大规模应用.由于金属电极在CO2电催化还原过程中表现较高电流密度和催化性能,使得目前研究的热点集中于金属电极的修饰改性.金属Cu与H2, CO结合能力适中,并且对生成碳氢化合物具有较好的催化性能,因此其在催化CO2还原中具有较大潜力.以往对于Cu的研究主要集中在表面修饰、调控表面结构以及制备合金等方向,其中对金属进行氧化后再还原的处理也是提高其催化活性的一种有效手段.氧化后还原得到的铜具有较大的粗糙度,且暴露的活性位点更多,对CO2还原具有较好的催化活性.我们对铜箔在空气氛围下、300oC焙烧5 h,然后恒电位还原,再进行过渡金属Ni、Zn、Au的修饰,研究所得样品电催化还原CO2性能.电极的表面形貌用扫描电镜表征, CO2还原的液相和气相产物分别用核磁和在线气相色谱进行检测.
　　修饰后电极的形貌没有发生太大变化,仍具有十分粗糙的表面结构.通过线性扫描伏安曲线可以看出,修饰Zn、Au后电流密度较未修饰前有明显增加,但是由于CO2还原过程中不可避免地伴随析氢副反应,因此,我们通过计算产物的法拉第效率来表征修饰后的电极对产物选择性的改变：未修饰时,在?1.2至?1.6 V均可检测到甲酸的生成,电位负于?1.4 V时可以检测到乙醇和正丙醇. Ni的修饰明显提高了甲酸的法拉第效率,也促进了正丙醇的生成.?1.3 V时甲酸的法拉第效率为26.0%,?1.5 V时液相产物的法拉第效率为34.3%.在线气相色谱结果发现, Ni的修饰也明显提高了CO的法拉第效率,在?1.4 V下, CO的法拉第效率为44.6%.这可能是由于Ni (r =0.1246 nm)的原子半径比Cu (r =0.1278 nm)更小,因此Ni的修饰会使Cu发生晶格收缩、导致d带中心下移而降低了CO的结合能,从而更易生成CO和HCOOH;而修饰Ni后对CO2还原产物正丙醇的提高可能是由于Ni的引入促进了C–C键的形成.修饰Zn后,甲酸的产率明显下降,在?1.6 V下甲酸的法拉第效率只有14.8%,但是乙醇与正丙醇的法拉第效率分别为1.6%与2.0%,相较于未修饰的电极略有提高.修饰Au后,液相产物甲酸及醇类的法拉第效率明显下降,在?1.5 V下,甲酸的法拉第效率只有7.9%,且只检测到少量的乙醇,未检测到正丙醇的生成,这可能与Au修饰后的电极对CO2还原中间体CO的吸附较弱有关,生成的CO中间体更易从表面脱附,而难以被进一步还原.     

过渡金属(Mo,Fe,Co和Ni)基催化剂在电催化还原二氧化碳还原中应用

近年来,全球二氧化碳排放量逐年增加, 对人们赖以生存的生态环境已造成严重威胁, 因此将二氧化碳转化成高附加值的化学品和燃料受到前所未有的广泛关注. 与目前已开发的转化技术(如热催化和光催化等)相比, 电催化二氧化碳转化技术具有稳定的效率?可控的选择性?简单的反应单元和巨大的工业应用潜力, 是一种更为理想的转化技术之一. 从反应动力学来看, 目前的催化剂仍难以克服反应过程中高的能量屏障以及迟缓的反应速度. 另一方面, 电催化二氧化碳转化包含多个质子和电子的耦合过程, 反应过程包含多种路径, 反应产物往往是混合物. 在此背景下, 如何发展高催化效率和高选择性电催化剂成为目前研究的焦点. 在众多的电催化剂中, 贵金属及其合金展现出较高的电催化二氧化碳还原活性, 但储量小的缺点限制了其大规模的工业应用. 铜基材料可以把二氧化碳转化为附加值更高的产品. 然而, 铜基材料仍难以克服选择性差?失活严重和效率低等缺点. 作为一种更廉价的材料, 碳基催化剂具有价廉?比表面积大?导电性好?化学性质稳定以及优异的机械性能等优点在电催化二氧化碳还原中得到了广泛的研究. 然而, 单纯的碳催化剂对于二氧化碳分子活化以及吸附反应中间体能力较低, 导致了碳基材料催化电催化二氧化碳还原活性以及选择性较低. 因此, 开发出可实际应用的高效率和高选择性非贵金属电极材料是当前该技术研究中亟待解决的关键科学问题.过渡金属基化合物在能源转化中展现出巨大的应用潜力. 过渡金属价电子在d轨道, 而d轨道邻近费米能级, d轨道电子填充的变化使得d轨道中心与费米能级相对位置发生变化, 进而展现出多种催化活性. 电催化二氧化碳还原是一个多电子和质子耦合过程, 催化剂的本征活性由其表面电子结构决定. 在此背景下, 过渡金属基化合物价层电子轨道的多变性使其成为提高电催化二氧化碳还原效率和选择性的理想催化剂. 对于电催化二氧化碳还原, 不同中间体的标度关系是制约反应总效率的关键因素. N?rskov等研究发现, MoS2, MoSe2和Ni掺杂 MoS2催化剂上存在不同种类的活性位点. 不同的活性位点可以分别吸附反应中间体并使中间体的吸附过程相对独立, 从而有效打断中间体的标度关系. 2014,Salehi-Khojin等成功把MoS2应用在高效电催化二氧化碳还原中. 边缘Mo原子d带电子靠近费米能级的特性使其具有更高的电催化活性. 其它研究工作者通过引入掺杂物质, 进一步提高了MoS2的电催化二氧化碳还原性能. Fe位点在理论上虽然具有很高的电催化二氧化碳转化活性, 然而目前铁基催化剂的研究相对较少. Co基材料也可用于电催化二氧化碳转化.2016年, Xie等首次制备无机Co基材料用于电催化二氧化碳还原. 部分氧化的钴可以促进速控步骤反应进程, 进而降低整体反应的过电势. 基于此, 制备了超薄的Co3O4片层, 发现价电子轨道中心更靠近费米能级时, 电极材料展现出更高的催化活性. 进一步研究发现氧空穴的存在也可以减小速控步骤的能量屏障. 此外, Ni基材料也被证明具有高的催化二氧化碳转化活性. 目前这些研究工作对如何构建高性能电极材料在理论上给出了指导方向, 并且联系实验证明了方法的可行性. 受到这些工作的启发, 未来可将有巨大潜力的过渡金属基化合物化合物, 例如过渡金属氮化物?过渡金属磷化物?过渡金属碳化物和过渡金属硼化物等, 作为电催化剂研究其二氧化碳还原催化性能. 另外, 就目前的研究来看, 将二氧化碳有效地还原到特定的产物仍存在巨大的挑战. 如何优化过渡金属(Mo, Fe, Co和Ni)基催化剂价层d轨道结构, 促进反应中间体吸附过程, 将是解决催化活性和选择性这一科学问题的关键.     

电催化二氧化碳还原的铜基催化剂设计与反应机理研究进展

利用电催化技术和阴极区的还原反应将CO₂转化为高能化学品是解决温室效应和实现人工碳循环的有效途径。与其它金属催化剂相比,Cu基催化剂因其能生成多碳产物而备受关注,但其缺点是对产物的选择性差。因此,近年来,研究者致力于探究Cu基催化剂在反应过程中的C-C偶联机制及影响因素,并对Cu基催化剂进行针对性的结构设计和实验合成。本文总结了Cu基电极上电催化CO₂还原反应(CO₂RR)的基本原理,分析了影响电催化CO₂RR的关键因素(电催化反应器、pH值、压力和温度、CO₂的流速与浓度),综述了针对Cu基催化剂改性的相关策略(合金化、纳米结构改性、杂原子掺杂、亲/疏水性、单原子催化剂)的研究进展,最后,展望了电催化CO₂RR的Cu基催化剂领域的机遇与挑战,以期为今后开展相关研究提供有益参考。