【摘 要】
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有机碳酸酯是具有广泛用途的有机化合物,可以采用非电化学方法和电化学方法合成。电化学方法制备有机碳酸酯具有反应条件温和、设备简单、反应可控和反应“绿色”等优点,所以此方法备受关注。电化学催化醇与CO_2反应是合成有机碳酸酯的路径之一。此路径用到造成温室效应的主要气体CO_2,所以此路径不仅能降低大气中CO_2浓度,还能将CO_2转化为更有价值的化学品。目前,已有多篇文章报道电化学催化醇(一元醇、二元
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有机碳酸酯是具有广泛用途的有机化合物,可以采用非电化学方法和电化学方法合成。电化学方法制备有机碳酸酯具有反应条件温和、设备简单、反应可控和反应“绿色”等优点,所以此方法备受关注。电化学催化醇与CO2反应是合成有机碳酸酯的路径之一。此路径用到造成温室效应的主要气体CO2,所以此路径不仅能降低大气中CO2浓度,还能将CO2转化为更有价值的化学品。目前,已有多篇文章报道电化学催化醇(一元醇、二元醇和三元醇等)与CO2反应合成有机碳酸酯,有些报道提出反应发生需用到有毒有害的碱或助催化剂,且反应时间长,则具有污染环境且消耗时间的缺点;有些报道提出在溶剂离子液体中不加碱和任何助催化剂的情况下,反应有较高的产率,且离子液体可以回收利用,但是具有离子液体回收过程繁琐等缺点;所有的报道反应用到的工作电极均是普通平板电极,电催化效果差。所以寻找合成路线绿色、合成过程简单及电催化性能好的电极材料非常重要。一般来说,电极的电催化性能与电极的活性位点数成正比,而将金属以纳米粒子的形式分散于具有高比表面积的载体可以提高活性位点数。有序介孔碳具有高比表面积和孔体积,作为载体可以使金属纳米粒子高度分散,作为吸附剂对气体有较大的吸附量及进行N掺杂之后有更高的气体吸附量;规则有序的孔道结构有利于反应物质的扩散;良好的稳定性和导电性,可以应用于电化学领域。有序介孔碳多是用于锂离子电池、燃料电池和电容器中等,在有机电催化合成方面鲜有报道。本论文结合有序介孔碳的结构优势和有机电催化合成的技术优点,以有序介孔碳为载体,对其进行铜纳米粒子负载和N原子掺杂,制备出铜纳米粒子高度分散的Cu/OMC电极材料和具有更高CO2吸附性能的Cu/NMC电极材料。并将其应用于电催化苯甲醇与CO2反应制备苄基甲基碳酸酯,优化电解条件,探究影响电极材料电催化性能的因素。电解过程避免了碱和助催化剂的使用,操作简单,克服了报道中合成有机碳酸酯污染环境、操作繁琐和普通平板电极催化性能差等缺点。具体研究内容如下:(1)采用简单方便的一锅法制备Cu/OMC电极材料,对其进行表征和电催化应用。研究表明铜的负载量和乙酰丙酮的加入量对材料的结构和形貌(铜纳米粒子的大小、比表面积和孔体积等)及电催化性能有很大的影响。对电解条件如电流密度、底物浓度和电解电量也进行了考察。证明了负载铜有序介孔碳电极材料的电催化性能优于普通铜片电极。(2)在Cu/OMC电极材料的研究基础上,为了提高材料的CO2吸附性能,采用一锅法制备Cu/NMC材料,并对其进行表征和电催化应用。在制备过程中,加入N-乙烯基甲酰胺使其作为螯合剂和N源,在分散铜纳米粒子的同时也实现对材料的N掺杂。通过表征证明N掺杂量影响材料的孔道结构、比表面积和孔体积。比表面积和孔体积越大,N掺杂量越多,材料的CO2吸附性能越好。通过电催化效果证明Cu/NMC电极材料具有更好的电催化性能,说明材料的CO2吸附性能影响电极材料的电催化性能。
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