论文部分内容阅读
近几十年来,电化学还原CO2是人们重点关注的研究课题之一,因其不仅可以减小温室效应带来的严重影响,而且可以产生高附加值的还原产物来缓解能源危机。电化学还原CO2催化剂的成本高、选择性低、稳定性差等问题是阻碍其进一步实现商业化应用的重要因素。因此,以降低成本、提高选择性、增强稳定性为目标,本论文围绕廉价的Zn基、Cu基催化剂展开研究,对其微观形貌和组成进行调控,分别制备出不同形貌的ZnO纳米材料以及不同Cu/Zn比例的蒲公英状(CuO-Cu2O)-ZnO纳米复合物,并对其电催化还原CO2的效果进行测试和评估。本论文工作主要包括以下两个方面:(1)基于催化剂微观形貌对催化性能的影响以及Zn基催化剂独特的优点。我们选取廉价的ZnO纳米材料作为电化学还原CO2的催化剂,改变ZnO纳米材料的微观形貌且进行优化,研究其在N2或CO2饱和的0.5 mol/LNaHC03电解液中的催化性能。结果表明,50 ℃下合成的蒲公英状ZnO纳米材料电催化还原CO2产生的还原峰电流密度达到9.7 mA/cm2,塔菲尔(Tafel)斜率为56.17 mV/dec,生成HCOOH的法拉第电流效率(FE)值可达85%,这可归因于蒲公英状ZnO纳米材料具有较大的比表面积。此外,该催化剂电催化还原C02产生的电流密度可在40 h内保持稳定,源于Zn基催化剂独特的稳定性。(2)针对ZnO导电性弱,电催化还原CO2的起始电位高且产生的电流密度较小等问题。我们以50 ℃下合成的蒲公英状ZnO纳米材料为载体,制备不同Cu氧化物负载量的(CuO-Cu2O)-ZnO纳米复合物,在0.5 mol/LNaHCO3溶液中对其进行电催化还原CO2性能测试。研究结果表明,Cu/Zn比为0.32的(CuO-Cu2O)-ZnO复合物的催化性能最佳,电化学还原CO2的起始电位为-0.47 V,产生的还原峰电流密度是-10.98mA/cm2,生成CO的FE值可达95%。结合Tafel斜率和EIS数据可知,(CuO-Cu2O)-Zn0纳米复合物电催化还原C02的控速步骤是电子转移步骤,即CO2得电子还原生成CO2O-中间体的过程,而调整Cu与Zn的比值,可有效增强催化剂的导电性,加快电子转移速率,从而提高(CuO-Cu2O)-Zn0纳米复合物的催化活性。本论文基于催化剂的形貌、导电性对其电催化性能的影响而制备的蒲公英状ZnO纳米材料以及蒲公英状(CuO-Cu2O)-Zn0纳米复合材料,因其具有特殊的结构特征和物理化学带,在光催化、光电催化还原CO2领域也有着很好的应用前景。