论文部分内容阅读
二氧化碳（CO2）的大量排放引发的全球气候变化,造成严重的环境问题和社会问题。利用电催化还原技术,以可再生能源作为驱动力直接将CO2转化为高价值的化学品和燃料是缓解当前能源与环境危机极具发展前景的策略之一。然而,电化学CO2还原反应动力学缓慢及产物选择性差是其发展的瓶颈问题,开发高性能的电催化剂是解决这一问题的关键。碳基催化剂具有成本低廉、环境友好和电化学稳定性好等特点而成为电催化剂研究的重要方向,但催化活性低、电压敏感性高等问题是其亟待解决的关键性问题。喹啉聚合衍生的富氮沥青由于其高的氮含量和高的导电性,是制备高性能碳基材料良好的前驱体。本论文使用富氮沥青为碳源和氮源,采用有机融合模板复制与原位共热解掺杂技术,对富氮沥青基碳材料化学组分、微观结构、孔结构以及形貌等多尺度结构进行合理调控,成功构筑了高性能的过渡金属-氮共掺杂的碳纳米片和有序介孔碳,并研究了材料多尺度结构对其电化学活性的影响规律。本论文具体研究如下所示:（1）以富氮沥青为前驱体,氯化钠为模板,通过引入过渡金属盐制备过渡金属-氮共掺杂沥青基碳纳米片材料。考察了过渡金属种类和过渡金属掺杂量等因素对沥青基碳纳米片电化学CO2还原反应催化活性的影响。研究结果表明镍氮共掺杂沥青基碳纳米片材料具有最优的电催化性能,其在-0.9 V vs.RHE的施加电势下CO的法拉第效率达到了91%,在-1.1 V vs.RHE的条件下,CO的部分电流密度达到了8.87 mA cm-2。另外,该材料的塔菲尔斜率为146 mV dec-1,显示其具有较快的反应动力学。（2）以富氮沥青为前驱体,SBA-15为硬模板,NiCl2·6H2O为镍源,通过原位共热解掺杂策略成功制备出富含Ni-N活性位的镍氮共掺杂沥青基有序介孔碳材料,将其用作电化学CO2还原电催化剂,并探究了Ni-N活性位和孔道结构等因素对材料电催化性能的影响。研究结果表明,该材料在较大的电压范围内（施加电压为-0.75 V到-1.20 V vs.RHE）CO的法拉第效率始终维持在90%以上,且在-0.9 V vs.RHE的电位下CO的法拉第效率高达93.3%,对应的CO部分电流密度达到了15 mA cm-2,TOF值为1224 h-1。该材料在持续测试10 h后,催化剂保持高催化活性,显示出良好的稳定性。高活性Ni-N位点和低传质阻力有序介孔结构的引入,增强了碳材料CO2活化能力、提高了活性位附近CO2浓度,从而扩大碳材料电催化反应工作窗口。低电压敏感性和高反应选择性为新能源驱动电化学CO2还原的实际应用提供了可能。