二氧化碳还原技术的研究进展

本文简要地介绍了近十多年来二氧化碳的电化学及光化学还原技术的研究进展，并指出了光化学还原技术今后的研究方向。     

还原染料电化学还原染色方法研究进展

还原染料的电化学还原染色方法是环境友好的新型染色方法,具有还原剂使用量少或不使用还原剂、排放的废水少,染色过程易于控制等特点。介绍了还原染料的间接电化学还原、直接电还原和电催化氢化方法的原理、特点和工艺过程,探讨了三种方法各自的优点和需要解决的问题。     

水溶液中电化学还原CO2的研究进展

CO₂作为一种潜在的碳资源,寻找一种有效的方法转移利用CO₂一直是社会关注的焦点。水溶液中电化学方法转化固定CO₂可在室温和常压下进行,通过选择不同电极和电极电势来改变产物、调控反应速率和选择性,因而具有潜在的优势。本文综述了水溶液中电化学还原CO₂的发展现状,介绍了水溶液中电还原CO₂的基本原理和电极上发生的主要反应;总结了水溶液中金属电极、气体扩散电极(GDEs)和复合电极等不同电极材料对CO₂还原产物的种类、选择性以及电流效率的影响;讨论了温度、CO₂分压等还原反应条件对反应速率和电流效率的影响。展望了水溶液中电还原CO₂技术的发展前景,认为利用水基溶液中丰富的[H],增强CO₂还原产物的燃料化程度,将在环境保护、资源利用和经济效益方面具有极大价值,符合绿色化学发展理念。     

二氧化碳在低温下的电还原

研究了ＣＯ２于０℃时在甲醇中的电化学还原，ＣＯ２于铜阴极上的电还原产物为一氧化碳、甲烷、乙烯等。     

电化学二氧化碳还原制甲酸催化剂的研究进展

随着日益增长的能源需求,人类社会对于传统碳基化石能源过度依赖,不仅加速了地球上有限能源储备的消耗,还导致大气中二氧化碳(CO₂)不断累积。如何对二氧化碳进行可持续的捕获再利用,实现高效的零碳网络循环,已成为人类亟需解决的重大挑战之一。近年来,使用绿色可持续电力的电化学二氧化碳还原反应(CO₂RR)生产增值化学品成为研究热点。本文首先介绍了CO₂RR的基本电化学反应原理;然后总结了电化学还原CO₂制备甲酸/甲酸盐的主要金属基催化剂,着重介绍了Bi、Sn、In三类金属基催化剂的设计调控策略;进一步概括了电化学相关的原位表征手段,分别介绍了原位光谱技术和原位X射线表征技术;最后对电催化二氧化碳还原研究领域的未来发展进行了展望。     

固定床电化学反应器研究(Ⅱ)硝基苯电化学还原制备对氨基苯酚

研究了在固定床电化学反应器内硝基苯电化学还原制备对氨基苯酚的过程.采用文献[7,8]建立的固定床电化学反应器模型对该反应过程进行了反应器设计.实验测得该反应的摩尔选择性β≥80%,电流效率η_i≥75%,反应器表观电流密度i≥1500A/m~2.本研究为固定床电化学反应器内硝基苯电化学还原制备对氨基苯酚过程工业化奠定了重要的理论基础.     

固定床电化学反应器研究(Ⅱ)硝基苯电化学还原制备对氨基苯酚

研究了在固定床电化学反应器内硝基苯电化学还原制备对氨基苯酚的过程.采用文献[7,8]建立的固定床电化学反应器模型对该反应过程进行了反应器设计.实验测得该反应的摩尔选择性β≥80%,电流效率η_i≥75%,反应器表观电流密度i≥1500A/m~2.本研究为固定床电化学反应器内硝基苯电化学还原制备对氨基苯酚过程工业化奠定了重要的理论基础.     

CO_2电催化还原产物最新研究进展

本文综述了电化学方法活化CO2的研究,水溶性介质,非水溶介质中电极材料的不同CO2还原产物的不同,以及在两种介质中的还原反应机理和转化情况。旨在寻求一种合理、高效而又绿色的CO2转化方法来缓解温室效应。     

旋转圆柱电极电化学反应器

近几年,由于对节能和环境保护等全球性问题的重视,有机电化学合成成为引人注目的研究课题。然而,迄今为止工业化的有机电化学过程依然为数很少,一个很重要的原因是有机电化学合成需要特殊的反应器,用于无机电化学反应的电解槽一般不适用于有机合成。本文就旋转圆柱电极电化学反应器的特性及用于有机电化学合成进行了研究。     

流化床电化学反应器研究进展

流化床电化学反应器是一种三维颗粒电极反应器,以其比表面积大、传质速率高而备受关注。就流化床电化学反应器在导电机理、数学模型、结构放大以及应用领域的研究现状和进展进行了综述,阐明了该类反应器开发、设计和模型化方面存在的问题,并提出了研究方向。     

二氧化碳电还原的电解质研究进展

基于可再生能源电力将二氧化碳电化学还原（CO₂RR）为高价值化学品是实现二氧化碳资源化利用的有效途径。催化剂和电解质组分对界面微环境的调控共同决定了CO₂RR的催化性能。尽管在高性能催化剂的设计及制备方面已取得了实质性进展,但电解质组分对界面局部催化环境的影响,以及对CO₂RR反应过程的优化机理还未得到充分认识。综述了电解质组分对CO₂RR界面微环境调控的研究进展,重点围绕电解质中阳离子、阴离子、溶剂、配体以及添加剂等开展讨论,包括电解质组分对界面化学环境的影响,如界面电场、局部pH、偶极-场作用和界面水结构等,揭示电解质调控的反应机理,以及在改善催化性能中的重要作用。本文从电解质调控角度出发,为设计高催化性能电解体系提供新的研究思路,推动CO₂RR领域发展。     

二氧化碳电还原的电解质研究进展

基于可再生能源电力将二氧化碳电化学还原（CO₂RR）为高价值化学品是实现二氧化碳资源化利用的有效途径。催化剂和电解质组分对界面微环境的调控共同决定了CO₂RR的催化性能。尽管在高性能催化剂的设计及制备方面已取得了实质性进展,但电解质组分对界面局部催化环境的影响,以及对CO₂RR反应过程的优化机理还未得到充分认识。综述了电解质组分对CO₂RR界面微环境调控的研究进展,重点围绕电解质中阳离子、阴离子、溶剂、配体以及添加剂等开展讨论,包括电解质组分对界面化学环境的影响,如界面电场、局部pH、偶极-场作用和界面水结构等,揭示电解质调控的反应机理,以及在改善催化性能中的重要作用。本文从电解质调控角度出发,为设计高催化性能电解体系提供新的研究思路,推动CO₂RR领域发展。     

CO2电催化还原产合成气研究进展

CO₂电催化还原产合成气是通过CO₂资源化利用实现碳中和的有效途径之一,但仍存在过电位高、选择性差、难以精准调控合成气组成比例等问题。本文综述了CO₂电催化还原产合成气的催化剂研究进展,包括金属催化剂、金属配合物催化剂、金属氧化物及硫化物催化剂、金属单原子催化剂以及非金属催化剂等;进一步地,概述了H型电解池、连续流电解池、固体氧化物电解池以及膜反应器电解池等电化学反应池特征。在此基础上,总结了提升CO₂电催化还原产合成气效率的有效策略,包括阳极反应耦合、双活性位催化剂结构设计以及催化剂多级形貌调控等。最后探讨了CO₂电催化还原产合成气领域未来的发展方向：通过机器学习辅助催化剂设计筛选;结合多尺度模拟理解电化学界面过程;利用原位表征技术探究反应机理等。     

Development of a continuous reactor for the electro-reduction of carbon dioxide to formate – Part 1: Process variables

This paper reports an experimental investigation into the effects of five process variables on the performance of a bench-scale continuous electrochemical reactor used in the reduction of CO₂ to potassium formate, and interprets the data in terms of reactor engineering for a (speculative) industrial process for electro-reduction of CO₂. The process variables: temperature, catholyte species, catholyte conductivity, cathode specific surface area and cathode thickness were studied, along with CO₂ pressure and current density, in a set of factorial and parametric experiments aimed to unravel their main effects and interactions. These variables showed complex interdependent effects on the reactor performance, as measured by the current efficiency and specific energy for generation of formate (HCO₂⁻). The “best” result has a formate current efficiency of 86% at a superficial current density of 1.3 kA m⁻², with a product solution of 0.08 m KHCO₂ and specific electrochemical energy of 260 kWh per kmole formate. The combined results indicate good prospects for process optimization that could lead to development of an industrial scale reactor.     

离子液体电还原CO2合成甲醇过程评价与分析

CO₂电还原合成化学品因反应条件温和、可利用分布式清洁能源等优势成为国际热点,被视为缓解全球变暖和能源危机的有效途径之一,对该类技术潜在经济及环境效益进行系统评估,可为新技术工业应用提供重要支撑。本文以离子液体电还原CO₂制甲醇工艺为例,首先进行概念设计和建模,建立了基于生命周期的工艺经济性及碳排放评价模型,获得了离子液体电还原CO₂制甲醇工艺的盈利前景和碳减排潜力。通过灵敏度分析,确定了例如法拉第效率、电费及槽电压等影响工艺经济性的关键技术参数。结果表明,与传统煤制甲醇工艺相比,离子液体电还原CO₂制甲醇工艺兼具一定的经济效益与碳减排潜力。在最佳假设前提下,新工艺可节约成本约11.67%。若完全采用可再生能源提供电力,则可实现生命周期内的负碳排放,即每生产1kg甲醇最高可消纳1.29kg CO₂。本研究为低碳合成甲醇变革性技术的研发提供了重要参考。     

Continuous electroreduction of CO2 to formate using Sn gas diffusion electrodes

Electrochemical valorization may be a strategy for mitigating climate change, as the process allows for CO₂ to be converted into industrially useful chemicals. The aim of this work is to study the influence of key variables on the performance of an experimental system for continuous electroreduction of CO₂ to formate with a gas diffusion electrode (GDE) loaded with Sn. A 2³ factorial design of experiments at different levels of current density (j), electrolyte flow rate/electrode area ratio (Q/A ratio) and GDE Sn load was followed. Higher rates and concentrations (i.e., 1.4·10^?3 mol m^?2 s^?1 and 1348 mg L^?1 with efficiencies of approximately 70%) were obtained with GDEs than with plate electrodes. The statistical design of experiments demonstrated that the Sn load had the most significant effect on rate and efficiency. However, despite these promising results, further research is required to optimize the process. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 60: 3557–3564, 2014     

制氢尾气二氧化碳回收装置设计

对制氢尾气二氧化碳的回收装置进行了简捷设计，流程分析，并对换热装置的换热量和传热面积给出了算法和有关数据。     

二氧化碳甲烷化催化剂的研究进展

CO₂催化加氢甲烷化反应是温室气体CO₂资源化利用的有效途径之一。本文回顾了CO₂催化加氢甲烷化催化剂的研究现状, 其中Ni基催化剂是研究最为广泛的CO₂甲烷化催化剂。重点介绍了Al₂O₃、SiO₂和La₂O₃载体及CeO₂和La₂O₃助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响, 阐述了载体的结构、电子性能、化学性能和助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响。结合几种非Ni基CO₂甲烷化催化剂的对比研究发现, 具有有序介孔结构的Co基催化剂也表现出了优越的CO₂甲烷化性能。由此表明, 催化剂新颖的结构也是影响CO₂甲烷化性能的重要因素, 通过催化剂结构、组成等的调变, 能实现CO₂低温高效甲烷化, 为CO₂甲烷化工业化进程奠定基础。     

有机胺非水溶液吸收CO2的动力学研究进展

有机胺水溶液吸收法是CO₂捕集最常用且成熟的方法之一,但是再生能耗高和吸收剂严重降解等关键问题阻碍了其大规模推广和应用。采用有机溶剂代替强极性水溶剂构建的非水吸收剂体系,在降低能耗方面具有巨大潜力,在近年来受到格外关注。非水吸收剂的CO₂吸收动力学研究有助于了解吸收过程的反应机理以及不同有机胺和溶剂类型对反应动力学的影响。本文从有机胺在非水溶剂中的反应机理出发,介绍了CO₂吸收动力学研究的典型实验方法和原理,系统评述了采用不同结构的有机胺在不同溶剂体系中吸收CO₂的动力学研究进展,深入分析了溶剂特性与胺的反应级数和反应动力学常数之间的关联性,并指出了普遍的规律性特征即有机伯胺和仲胺的反应级数随溶剂极性的降低而增大,反应速率常数随着溶剂的溶解度参数增大而呈现近似线性变化。在分析目前动力学研究中存在的问题基础上,对今后非水体系动力学的研究方向进行了展望。