【摘 要】
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二氧化碳(CO2)是主要的温室气体,同时又是廉价、丰富的C1资源。将CO2转化为高附加值化学品,对可持续发展具有重要的意义。在多种以CO2为原料的转化路径中,电化学催化还原CO2反应是一种具有重要应用前景的技术路线。铜基催化剂因其具有成本低、催化产物多样等特点,在电催化还原CO2方面备受关注。本论文采用电沉积法设计合成了一系列Cu(含有CuⅠ与Cu0)基催化剂,并将其应用于CO2电还原反应。主要研
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二氧化碳(CO2)是主要的温室气体,同时又是廉价、丰富的C1资源。将CO2转化为高附加值化学品,对可持续发展具有重要的意义。在多种以CO2为原料的转化路径中,电化学催化还原CO2反应是一种具有重要应用前景的技术路线。铜基催化剂因其具有成本低、催化产物多样等特点,在电催化还原CO2方面备受关注。本论文采用电沉积法设计合成了一系列Cu(含有CuⅠ与Cu0)基催化剂,并将其应用于CO2电还原反应。主要研究内容如下:(1)电沉积法合成Cu-Pd双金属催化剂及其在电催化还原CO2中的应用采用电沉积法制备了Cu-Pd/CP(碳纸)电极,并将其用于电催化还原CO2制备乙烯(C2H4)。研究表明,通过改变沉积液的组成,可以快速得到一元、二元的金属电极材料。改变沉积方法制备的一系列形貌、尺寸、表面元素含量与价态组成各异的Cu-Pd双金属材料催化还原CO2的性能也各不相同。以优化的Cu-Pd双金属为电极材料、在0.1 M的KCl水溶液中,电位为-1.20 V vs.RHE时,反应总电流密度为17.4 m A cm-2时,C2H4的法拉第效率(FE)可达到45%,为Cu/CP电极的1.7倍。Cu-Pd之间的协同作用提高了Cu/CP电极对C2产物的选择性,也改变了以合成气(CO和H2)为主产物的Pd/CP电极的特性;Cu-Pd/CP具有合适的元素比、特定的三维结构、较低的界面电荷转移电阻等特点,能增加电子传输速率,从而提高催化活性和稳定性。(2)甘氨酸(Glycine)诱导沉积合成铜基催化剂电极(e-Cu-gly/CP)及其在电催化还原CO2中的应用在沉积液中加入添加剂诱导合成了一系列具有多孔互联与杂化结构的e-Cu/CP电极,并用于电催化还原CO2制备甲烷(CH4)。研究表明,添加剂的种类、p H值等条件均对沉积合成的e-Cu材料的催化性能有较大影响。恒电位电解数据表明,e-Cu-gly/CP电极电催化还原CO2生成CH4的性能最佳。在优化条件下,反应总电流密度为9 m A cm-2,CH4的FE可达到55%。相较于无添加剂电沉积合成的Cu-Pd/CP,e-Cu-gly/CP电极有较高的稳定性,可持续25000 s(约7h)。以甘氨酸为添加剂制备的e-Cu-gly/CP电极上的金属粒子分散性更好,暴露出更多的有效活性位点,具有更高效催化还原CO2制备CH4的性能,且催化性能稳定。
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