基于MOFs电催化体系的设计、合成及应用

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:augenthaler
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随着社会、科技的飞速发展和世界人口的快速增长,化石燃料的消耗量与日俱增。化石燃料的燃烧导致空气中CO2含量过高,引起酸雨、全球变暖和海平面上升等一系列环境问题。怎样将这些过量的CO2气体转化为有附加值的化学燃料,对人类社会发展和应对全球变暖,以及实现碳达峰和碳中和的目标有着重要的意义。目前,人工光合成技术是实现CO2转化的有效策略之一,通过模拟自然界植物光合作用将CO2转化为水和碳基化合物。植物光合作用的关键转化过程发生在暗反应阶段,没有光的参与,它相当于电催化CO2还原反应(e-CO2RR)。然而,在e-CO2RR中,二氧化碳的转化仍然需要克服热力学稳定性和二氧化碳分子低电子亲和力所要求的相当大的动力学障碍,并且催化剂的产物选择性和法拉第效率较差,同时伴随着竞争性副产物H2的产生。金属有机骨架材料(MOFs)具备多孔结构和大的比表面积,这种结构特点有利于CO2分子的吸附和增大反应接触面积;同时MOFs材料具备催化活性中心和易于改性等优点,使其在电催化还原二氧化碳反应(e-CO2RR)中表现出优异的性能。然而一般的MOFs材料,导电性和供电子能力较差,限制这些材料在e-CO2RR中的应用。因此,如何提高MOFs材料的导电性和供电子能力,以及提高材料的电还原效率和产物选择性是一个仍需探究的难题。基于此,以传统简单的MOFs材料为前驱体,制备碳基复合材料以及电催化还原CO2的性能研究为主线,从材料设计策略和材料结构等角度出发,结合表征手段和性能研究,进行了以下研究:(1)以Bi-BTC为前驱体,采用硫化热解的方法制备了Bi S@C一系列催化剂。这些催化剂在电催化还原CO2中表现出优异的催化性能。在e-CO2RR的应用中,Bi S@C800在-0.9V vs.RHE电位下,甲醇的法拉第效率达到了63.50%,且甲醇的选择性为63.82%。其优异催化性能可能归因于碳结构的形成提高了材料的导电性,同时Bi S的形成提供了催化CO2的活性位点。在e-CO2RR过程中,Bi S和碳结构之间形成连续的电子传输通道,加快电子的传输,从而提高催化活性。(2)为验证硫化热解策略的普适性,以In-BTC为前驱体,通过硫化热解的策略制备In2S3@C复合材料,该材料在电催化还原CO2中表现出优秀的催化性能。In2S3@C800在e-CO2RR的应用中,在-0.9V vs.RHE电位下甲酸的法拉第效率达到了92.7%,并且甲酸的产率在-1.1V vs.RHE电位下达到240μmol/cm~2·h。In2S3@C800材料中的In2S3活性位点与碳结构之间的协同作用有利于电子的传输,从而有利于电催化还原CO2性能的提高,也验证了硫化热解策略的普适性。(3)以UIO-66为前驱体,首先以热解的方法制备ZrO2@C材料,再将贵金属Au掺入ZrO2@C材料中去,制得Au/ZrO2@C复合材料。在e-CO2RR的应用中,Au/ZrO2@C在-0.9V vs.RHE电位下,甲酸的法拉第效率达到了94.1%,甲酸的产率在-1.0V vs.RHE电位下达到了112.5μmol/cm~2·h。碳结构的形成有利于提高材料的导电性和供电能力,且Au和ZrO2的之间的协同作用加快了电子的转移和传输,有利于提高CO2的电催化性能。
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