纳米金属材料电催化还原CO2制甲酸的研究

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随着工业化和现代文明的快速发展,能源的大量消耗,环境问题频频爆发使人们不得不把眼光投向能源的持续发展。二氧化碳(CO2)是C1化学重要组成部分,同样是C1家族中最为廉价和丰富的碳资源。利用电催化还原的方法将CO2转化成甲酸、CO、醇类以及碳氢化合物等,将能量储存在这些高能量密度的物质中以便循环利用,这样不仅能缓解“温室效应”问题,还能减少人类对化石燃料的依赖。电化学还原二氧化碳(CO2)是一种非常温和有效的方法并且在反应过程中所使用的电能可以利用可再生能源所产生的电能,不会造成二次污染,具有清洁性。但由于电催化还原CO2技术仍有许多问题需要解决:(Ⅰ)提高电流密度,缩短反应时间;(Ⅱ)降低反应的过电位从而使得反应更容易进行;(Ⅲ)提高反应过程中电流的使用效率,同时减少副反应的产生;(Ⅳ)提高工作电极的稳定性等等。基于上述问题,寻找具有高催化活性的合适的催化剂,而且还要具有较高的选择性和稳定性,是CO2电催化还原技术发展的关键。本论文通过电化学沉积的方法获得Sn基和Bi基催化剂完成了如下三个体系:(1)利用恒压电镀的方法,以铜箔作为基底,氯化胆碱为电镀液制备纳米锡电极作为催化剂,在水溶液(0.1 mol/L的KHCO3溶液)中研究镀锡电极上的CO2电化学还原情况。与传统的铜电极相比,这种镀锡电极对还原CO2表现出较高的催化活性,具有较大的催化电流密度,同时能产生较高的生成甲酸的法拉第效率。(2)利用恒流电镀的方法,以铜箔、铜网作为基底,水溶液为电镀液制备纳米锡电极作为催化剂,在水溶液(0.1 mol/L的KHCO3溶液)中研究镀锡电极上的CO2电化学还原情况。与无水电镀液制作的锡电极相比,电流密度略低,但更有利于CO2.-朝目标产物甲酸根的方向转化。与传统的铜电极相比,这种镀锡电极对还原CO2表现出较高的催化活性,在-1.8 V下W-Sn/Cu电极生成甲酸的法拉第效率为92%,甲酸的生成速率为164.40μmol·h-1;W-Sn/f-Cu电极生成甲酸的法拉第效率为83.5%,甲酸的生成速率为118μmol·h-1.(3)利用原位沉积法,以铜箔作为基底,水溶液为电镀液制作纳米铋膜电极作为催化剂,在水溶液(0.1 mol/L的KHCO3溶液)中研究镀铋电极上的CO2电化学还原情况。与Cu、Ag、Sn电极相比,镀铋电极可在较低电解电位下进行催化还原CO2,且表现出较高的催化活性。
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