电化学还原CO2阴极材料研究进展

CO2的电化学转化具有环境、资源和经济效益等多重意义。本文综述了电化学方法还原CO2阴极材料的发展现状,分别对水基溶剂、有机溶剂和离子液体中电极材料的研究情况进行了阐述,并指出了其各自的优缺点。水基溶剂中,CO2加氢具有充足的H+来源且反应过程相对较为简单,但产物燃料化特性不明显;有机溶剂中反应效率较高,但反应路径较为复杂;离子液体是较新的研究领域,生成CO2的反应过电位大大降低,但产物较为复杂且分离有难度。最后对电化学还原CO2阴极材料的发展趋势进行了展望,认为还需在复合材料、反应界面开展更深入的探索。     

铋/纳米洋葱碳电极的制备及其电化学还原CO2性能研究

采用水热法制备Bi/MCNOs电极催化剂,通过XRD、SEM对Bi/MCNOs催化剂进行表征,考察了Bi/MCNOs电极电化学还原CO₂制甲酸的性能。结果表明,在水热过程中,MCNOs成功负载到Bi上,Bi/MCNOs具有更小的球状结构。Bi/MCNOs电极电化学活性表面积为Bi电极的3.4倍。Bi/MCNOs电极的电流密度是Bi电极的4倍,且具有更正的起峰电位。通过对KHCO₃电解液浓度、还原电位对电化学还原CO₂制甲酸的分析可知,KHCO₃电解液浓度为0.5 mol/L、电势为-1.6 V vs.Ag/AgCl时,电化学还原CO₂效果最好,具有较高的电流效率。由此可见,Bi/MCNOs电极具有更高的活性,可有效提高电化学还原CO₂的催化效果。     

Mo2C/Cu共负载TiO2光催化CO2还原性能

光能驱动CO₂还原技术有望减少CO₂排放并同时提供高价值化学燃料,缓解能源转型带来的压力。发展高活性光催化剂是实现该技术应用的关键,负载贵金属是提高其光催化效率的有效途径,但由于贵金属成本昂贵、储量稀少等原因,限制了其大规模使用。因此,发展贵金属替代品对光催化CO₂还原具有重要意义。Mo₂C是一种具有与贵金属相似的电子结构的过渡金属碳化物,采用尿素还原方式制备了Mo₂C和Cu共负载TiO₂光催化剂,结合物理化学性质分析,对其在紫外光下的光催化活性进行评价。结果表明,在TiO₂上负载Mo₂C后,在CO₂催化转化过程中显著促进H₂和CH₄的产生,而Mo₂C和Cu共沉淀可抑制H₂产生并促进CO₂进一步转化为CH₄;光照4 h后,其CH₄累计产量达...     

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。     

草酸改性Ti电极用于电化学还原CO2制甲醇

大气中CO₂浓度的大幅度增加,导致了严重的环境问题,而电化学还原CO₂是减缓CO₂浓度的一种有效方法。Ti电极经草酸腐蚀和热处理的改性后,原来光滑的微观表面出现了凹陷和孔洞,极大地增加了微观表面积和对CO₂电化学还原的反应活性。草酸改性Ti电极作为阴极用于CO₂在0.5 mol/L的KHCO₃溶液中的还原中,在电解电压为-1.4 V_vs.SCE,电解时间3 h,产物甲醇的法拉第效率可达45.83%,且电极稳定。     

稀土掺杂TiO2光催化还原CO2

采用溶胶-凝胶法制备了稀土掺杂TiO₂纳米光催化剂,并应用于光催化还原CO₂/H₂O体系中。通过XRD对光催化性能进行表征,研究稀土离子掺杂和焙烧温度对光催化性能的影响。结果表明,稀土La和Ce的加入可以抑制TiO2的晶相转变,提高光催化性能。催化剂800 ℃焙烧可达到最好的光催化活性,在反应时间7 h、CO₂流量200 mL·min^-1和反应液中NaOH与Na₂SO₃浓度均为0.10 mol·L^-1条件下,甲醇产率高达315.49 μmol·g^-1。并对稀土掺杂TiO₂催化剂光催化还原CO₂的机理进行了探究。     

CO2在氢氧化铯／甲醇溶液中铜电极上高效电化学还原成乙烯的研究

探讨了在氢氧化铯／甲醇电解液中,CO2在铜电极上的电化学还原。从CO2还原而得的主要产物有：甲烷、乙烯、乙烷、一氧化碳和甲酸。在－3．5V的还原电位（参比电极为银＋氯化银电极,饱和KCI溶液为缓冲溶液）下,生成乙烯的最大电流效率为32．3％。在－4．0V时,甲烷的最大生成效率为8．3％。乙烯与甲烷的电流效率比为（2．9－7．9）：1。在氢氧经铯／甲醇溶液中,与CO2还原反应相竞争生成氢气的反应的电流效率可抑制在23％以下。     

孤立的Ni/Co双金属位点协同催化CO2电还原

相邻活性位点间的协同作用可以促进催化活性,同时保持源自原子分散性质的高原子利用率,双金属位点催化剂正成为CO₂还原反应研究中的新领域。锚定在氮化碳上的原子级分散的Ni/Co双金属活性位点,可作为一种高效的CO₂电还原催化剂。该催化剂在-0.6～-1.1 V的宽电势范围内表现出优异的选择性（CO法拉第效率超过90%）,并且在连续电解40 h后仍保持94%的初始选择性,显示出卓越的稳定性。     

BiVO4催化剂的制备及其光催化还原CO2的研究

采用化学沉淀法制备BiVO4光催化剂并应用于光催化还原CO2/H2O体系中。通过TG-DTA、FTIR、XRD对光催化剂进行表征,研究了pH和焙烧温度等对光催化性能的影响。结果表明,pH=7并于600℃煅烧制得的单斜相BiVO4活性最高。在催化剂用量为0.6 g/L,反应时间为7 h,CO2流量为200 mL/min,反应温度为80℃,反应液中NaOH和Na2SO3的浓度均为0.10 mol/L条件下,甲醇产率高达249.18μmol/g。并对BiVO4催化剂光催化还原CO2的机理进行了探究。     

铜基催化剂电还原CO2制乙醇的研究

综述了CO₂电化学还原为乙醇的反应机理及用于该反应的铜基催化剂研究进展,包括Cu单质、Cu-M合金、Cu基氧化物及其衍生物和Cu基复合材料;同时介绍了影响催化性能的主要因素,如催化剂粒径、催化剂形貌、电解液组成等,最后展望了Cu基催化剂在CO₂电化学还原为乙醇领域的研究前景,通过优化电极材料和探究金属与载体相互作用,同时结合理论计算来探明反应机理,将有助于开发更高效的电催化材料。     

MXene材料在电催化还原CO2中的应用

MXene是一种新兴的二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物的总称。其具有独特的二维风琴状结构、良好的导电性,丰富的官能团及亲水基团,因此在电催化还原CO₂领域中有着广泛的应用。本文综述了MXene材料的结构与性能,制备方法以及MXene材料及其复合材料在电催化还原CO₂领域的研究进展,并对其未来发展方向进行了展望和总结。     

电催化还原CO2研究进展

用于还原二氧化碳(CO₂)获得低碳燃料,包括CO,HCOOH/HCOO^-,CH₂O,CH₄,H₂C₂O₄/HC₂O^-₄,C₂H₄,CH₃OH,CH₃CH₂OH等的电催化剂的最新进展。电催化剂主要分为金属、金属合金、金属氧化物、金属络合物、聚合物/簇、酶和有机分子等。主要分析了实现高活性和高稳定性电催化还原CO₂所面临的挑战,并提出了几个实际应用的研究方向,旨在克服出现的挑战,促进该领域的研究和开发。     

半导体复合材料光催化还原CO2的研究进展

光催化还原CO₂是实现碳循环的一种绿色的、环保的能源转化方式,该方法可以有效的将CO₂气体转化为可再生燃料,缓解能源危机和全球变暖问题。综述了半导体复合材料光催化还原CO₂为可再生碳氢燃料的研究进展,介绍了光催化还原CO₂的反应条件和光催化机理,并对已报道的不同类型半导体复合光催化材料进行分类,如“单一半导体型”、“金属/非金属掺杂半导体型”、“半导体复合型”和“碳材料–半导体复合型”。评述了各种半导体复合光催化材料的优缺点及其光催化性能的影响因素。在此基础上,进一步展望了半导体复合光催化材料催化还原CO₂的发展前景。     

Ti基CO2光催化还原及其影响因素研究进展

综述了Ti基CO2光催化还原的研究进展,简要介绍了近年来用于光催化还原CO2的Ti基催化剂,包括纯TiO2催化剂、金属掺杂TiO2催化剂、非金属掺杂TiO2催化剂、共掺杂TiO2催化剂、Ti基纳米复合催化剂、有机光敏化剂修饰TiO2催化剂及其它TiO2催化剂等,比较了各类TiO2基催化剂光催化活性,介绍了其相应的反应机理及优缺点,讨论了光照时间、反应温度、CO2分压力、H2O和CO2摩尔比、光反应器等因素对光催化活性的影响。通过综合运用多种改性措施,开发高效Ti基催化剂并优化反应系统以提高光催化反应活性及光利用率将会成为CO2光催化还原领域重点研究内容与发展趋势,最后展望了利用该技术光催化还原工业烟气,尤其是富氧燃烧烟气的潜在应用前景与挑战。     

CO2电催化还原制合成气研究进展及趋势

可再生电能驱动CO₂电催化合成化学品或燃料,具有反应条件温和、产物选择性可调且可利用分布式可再生能源优势。合成气作为一类重要的化工原料气,可制备甲醇、乙醇、烯烃等大宗化学品,是CO₂电催化转化的重要途径,如何高电流密度、高选择性且精准调控碳氢比例(CO/H2)是需要解决的关键科学技术难题。本文从提升电流密度和效率、拓宽合成气比例角度出发,综述了CO₂电催化还原制合成气的最新研究进展,包括电极材料设计、电解液开发、电解槽结构创新等;论述了利用原位表征和理论模拟(DFT、MD)方法对CO₂电催化还原制合成气反应机理的研究进展。在此基础上,提出可通过催化剂多级形貌调控、多活性位点设计、CO₂捕集与转化系统集成、CO₂还原与阳极反应耦合等途径,提升CO₂电催化还原制合成气效率的策略。最后,探讨和展望了实现CO₂电催化还原制合成气工业化的挑战和问题。     

槽电压对CaCl2基熔盐电化学转化CO2制备碳材料的影响

以氯化钙基熔盐为电解质，将CO₂电化学转化为碳材料，考察了槽电压、熔盐组成对碳材料制备的影响。借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、激光显微拉曼光谱(Raman)等分析手段对碳材料的物相、形貌结构、元素分布、石墨化程度等特性进行表征。结果表明：在800℃CaCl₂-5%(质量分数)CaO熔盐中，槽电压为1.9 V的电解产物形貌为薄片状，碳质量分数为98.24%，随着槽电压升高，产物倾向于形成棒状结构且棒状产物长度增加；采用熔点更低的CaCl₂-NaCl-KCl-5%(质量分数)CaO三元熔盐进行电解，降低了制备碳材料的能耗，减轻了阳极的腐蚀，所得产物主要形貌为纳米管状、颗粒状和球状。槽电压对产物形貌的影响显著；高槽电压使得反应过程电流更大，电化学反应动力学加快，所得碳材料的石墨化程度更低。     

CdS/C-TiO2复合光催化剂光催化还原CO2性能研究

采用沉淀-水热法制备了CdS/C-TiO2系列复合光催化剂,通过XRD、UV-Vis、FESEM、XPS等分析手段对催化剂晶体结构、形貌及光电性能进行了表征,考察了柠檬酸(CA)/TiO2质量比R对CdS/C-TiO2复合光催化剂光催化性能的影响。实验结果表明,碳掺杂影响催化剂的晶体结构及其微观形貌,掺杂后光催化活性显著提高。在紫外光照射下进行光催化还原CO2反应,当CA/TiO2质量比R=3/1时,催化活性最高,还原产物HCOOH和HCHO总收率达到533μmol/(g.h)。     

水热还原制备铜纳米棒和纳米线

在水热180℃条件下,利用CuSO4·5H2O和NaOH作原料,保持c(Cu2+)∶c(OH-)=1∶4,加入与Cu2+等物质的量的山梨(糖)醇作还原剂,反应20h后得到产物。经X射线衍射分析确定该产物为金属铜,扫描电镜照片显示产物大部分为球形颗粒组成的正六角体,此外产物中还有少量纳米棒和纳米线。纳米棒的直径在100～500nm不等,长径比在50以上,而纳米线比纳米棒更细,扫描电镜照片显示其蜿蜒曲折,柔韧性较好。     

基于能带匹配理论设计CO2光催化还原催化剂的研究进展

光催化还原CO2过程中,能带隙小的材料具备优良的可见光吸收性能,但吸收的可见光并不一定能够有效地被光催化还原作用所利用,这与催化剂能带位置有着直接关系,改变材料的能带结构对调节材料的氧化还原性能有着重要影响。本文从光催化还原CO2的基本原理出发,介绍了半导体催化剂光催化还原CO2的基本过程及催化剂价带、导带位置的决定性作用,简述了当今光催化还原CO2过程中存在的催化剂价带、导带不匹配问题,并从特定晶面生长、材料复合、形成p-n结、第一性原理等方面综述了如何利用能带匹配理论来提高光催化还原CO2效率,为光催化还原CO2的材料的选择和设计提供了理论依据。     

铜掺杂TiO2/PCN异质结光催化还原二氧化碳性能研究

以Cu Cl₂、NH₂-MIL-125(Ti)和尿素为前驱物,通过煅烧法制备了不同Cu掺杂量的二氧化钛/聚合氮化碳(PCN)异质结(Cu Ti CN)。其中3Cu Ti CN光催化还原CO₂性能最优,在可见光下CO的产生速率可达735μmol/(g·h),分别是纯PCN和Ti O₂/PCN异质结的9倍和3倍。利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气物理吸附、紫外可见漫反射光谱、光致发光谱(PL)等手段对光催化剂的组成、结构和光电化学性质进行了表征。研究发现,Cu掺杂和异质结的构建增强了可见光吸收,增大了材料的比表面积,提高了光生载流子的分离和传递效率。根据带隙数据和莫特-肖特基曲线得到了异质结的能带结构,并提出了Cu掺杂TiO₂/PCN异质结光催化还原CO₂的机理。