氧化还原刻蚀铜表面对二氧化碳电催化还原性能的研究

大规模化石燃料的使用排放了大量的二氧化碳（CO₂）,导致环境中二氧化碳的含量急剧增加. 为了降低大气中二氧化碳的含量,以电催化的方法将二氧化碳转化为有用的化工原料和燃料是解决能源和环境问题的重要途径. 本文主要利用氧化还原刻蚀法,在铜表面形成复合纳米结构,用于二氧化碳的电催化还原反应研究. 首先,作者通过一定浓度的三氯化铁（FeCl₃）溶液与铜片的氧化还原反应,在刻蚀铜表面时形成具有立方体结构的氯化亚铜纳米材料,用于二氧化碳的电催化还原反应. 为了研究反应时间对催化性能的影响,作者通过改变反应时间（1、2、3和4 h）合成了不同结构的铜基催化剂. 研究发现,在反应3 h后,Cu-3h催化剂对二氧化碳的电催化还原具有较小的起始电压（-0.3 V vs. RHE）和较大的电流密度值,表现出了较强的还原能力. 经检测,所得到主要还原产物为一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）. 在-0.6 V时,二氧化碳催化还原的法拉第效率可达到60%,表明以氧化还原法刻蚀铜表面具有较好的改善二氧化碳电催化还原的能力.     

过渡金属修饰对铜箔电催化还原CO_2的性能影响（英文）

CO_2还原是一种解决温室效应以及能源短缺问题的有效方式.目前对于水溶液体系中的CO_2还原,主要有光催化、电催化以及光电催化等方法,其中还原CO_2法可在室温下进行,并较易实现大规模应用.由于金属电极在CO_2电催化还原过程中表现较高电流密度和催化性能,使得目前研究的热点集中于金属电极的修饰改性.金属Cu与H2,CO结合能力适中,并且对生成碳氢化合物具有较好的催化性能,因此其在催化CO_2还原中具有较大潜力.以往对于Cu的研究主要集中在表面修饰、调控表面结构以及制备合金等方向,其中对金属进行氧化后再还原的处理也是提高其催化活性的一种有效手段.氧化后还原得到的铜具有较大的粗糙度,且暴露的活性位点更多,对CO_2还原具有较好的催化活性.我们对铜箔在空气氛围下、300oC焙烧5 h,然后恒电位还原,再进行过渡金属Ni、Zn、Au的修饰,研究所得样品电催化还原CO_2性能.电极的表面形貌用扫描电镜表征,CO_2还原的液相和气相产物分别用核磁和在线气相色谱进行检测.修饰后电极的形貌没有发生太大变化,仍具有十分粗糙的表面结构.通过线性扫描伏安曲线可以看出,修饰Zn、Au后电流密度较未修饰前有明显增加,但是由于CO_2还原过程中不可避免地伴随析氢副反应,因此,我们通过计算产物的法拉第效率来表征修饰后的电极对产物选择性的改变:未修饰时,在-1.2至-1.6 V均可检测到甲酸的生成,电位负于-1.4 V时可以检测到乙醇和正丙醇.Ni的修饰明显提高了甲酸的法拉第效率,也促进了正丙醇的生成.-1.3 V时甲酸的法拉第效率为26.0%,-1.5 V时液相产物的法拉第效率为34.3%.在线气相色谱结果发现,Ni的修饰也明显提高了CO的法拉第效率,在-1.4 V下,CO的法拉第效率为44.6%.这可能是由于Ni(r=0.1246 nm)的原子半径比Cu(r=0.1278 nm)更小,因此Ni的修饰会使Cu发生晶格收缩、导致d带中心下移而降低了CO的结合能,从而更易生成CO和HCOOH;而修饰Ni后对CO_2还原产物正丙醇的提高可能是由于Ni的引入促进了C–C键的形成.修饰Zn后,甲酸的产率明显下降,在-1.6 V下甲酸的法拉第效率只有14.8%,但是乙醇与正丙醇的法拉第效率分别为1.6%与2.0%,相较于未修饰的电极略有提高.修饰Au后,液相产物甲酸及醇类的法拉第效率明显下降,在-1.5 V下,甲酸的法拉第效率只有7.9%,且只检测到少量的乙醇,未检测到正丙醇的生成,这可能与Au修饰后的电极对CO_2还原中间体CO的吸附较弱有关,生成的CO中间体更易从表面脱附,而难以被进一步还原.     

有机过渡金属化合物与CO2的反应

本文主要综述以下四个方面内容;(1)过渡金属与CO_2的配位络合物,(2)CO_2对过渡金属络物的可逆插入,(3)CO_2对过渡金属络合物的不可逆插入,(4)CO_2的还原和歧化反应。     

过渡金属对分子筛担载Pd催化剂上CO氧化性能影响

分别采用共浸和连续浸渍法制备了一系列添加过渡金属的Pd-M-Ox-NaZSM-5(M=Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Mo，Zr等)负载型催化剂．以CO氧化为探针反应，考察了不同制备方法对CO氧化性能影响，结果表明共浸法制备的各催化剂其活性明显优于连续浸渍法．详细考察了反应温度、Fe含量、氢气预还原、空速以及水蒸气等对共浸Pd-Fe-Ox-NaZSM-5催化剂上CO氧化行为影响，并应用XRD和XPS等手段对催化剂体相结构和表面状态进行了表征．结果表明：加入Fe2O3可明显提高Pd/NaZSM-5催化剂活性，且催化CO氧化的转化率随反应温度及Fe含量增加而增加；空速增加以及H2预还原作用导致Pd-Fe-Ox-NaZSM-5活性有所降低；催化剂对水蒸气较为敏感．XRD测试结果表明催化剂中Pd组分处于较高分散状态，以红铁矿形式存在的Fe2O3的引入，促进了Pd物种在NaZSM-5载体上的分散．表面XPS分析证实Fe2O3与Pd物种间存在较强的相互协同作用，且催化剂表面Pd物种处于较高氧化状态．Pd的高分散及其与Fe2O3的相互协同作用是共浸催化剂具有高活性的关键因素．     

高选择性和稳定性SnO2纳米催化剂上 CO2电化学还原为甲酸

作为最重要的还原产品,甲酸是 CO2还原中非常有价值的液体燃料.已有研究报道, Sn类金属电极对甲酸生成有很好的催化活性,所用电解液均为 KHCO3溶液(0.5 mol/L),但多数研究没有对其电解液条件的影响给出清晰解释.一般而言,电解液 pH值会影响 H2O和 CO2还原的电极电势,酸性环境有利于氢析出,碱性环境则不利于甲酸形成.在中性偏碱性环境, CO2电解可以提供维持氧化物稳定性的可能性.同时,电解质浓度也极大地影响甲酸形成.研究表明,当在固定床反应器中使用 Sn颗粒电极,在 KHCO3溶液(0.5 mol/L)中甲酸的法拉第效率比 K2CO3溶液(0.1 mol/L)的法拉第效率更大.我们研究组通过简单的水热自组装法成功制备了一种纳米结构 SnO2催化剂.其中 SnO2-50纳米催化剂由三维多级结构组成,为纳米颗粒和微米球的聚集体,其中含有直径为500 nm?1μm的高度多孔结构.该催化剂负载气体扩散电极用于 CO2电化学还原,表现出优异的 CO2还原催化活性和甲酸选择性.与其他文献报道相比,该电极具有明显的低过电位(?0.56 V vs. SHE).经研究发现,这与甲酸形成由传质和电荷传递过程控制有关,同时 CO2还原强烈依赖于电解液条件.此外,催化剂的电化学性能和甲酸选择性强烈依赖于电解液浓度.在0.5 mol/L KHCO3电解液中,当电解液浓度为0.1?0.5 mol/L时,催化性能随电解液浓度增加而提高,同时在电解液浓度为0.5 mol/L时催化性能达到最佳,获得56%的甲酸法拉第效率,这主要是由于 HCO3?直接参与反应的结果.在电解液浓度较低时,甲酸的形成由传质控制,而在电解液浓度较高时,甲酸的形成则由电荷传递控制.
　　同时我们发现在形成甲酸过程中,电解液 pH值对 CO2电化学还原过程有很大影响.为了研究电解液pH值影响,重点考察了pH值分别为6,7,8.3和9时的电位值,其原因是酸性过高有利于氢气形成,碱度过高不利于甲酸形成.结果表明,pH =8.3的电解液为 CO2还原的最佳电解液条件.此外,在最负的电势下,电解液pH=8.3时,阴极电流密度比其他电解液都大,几乎是pH=6的电解液的2倍.此时在中性偏碱性环境下, CO2还原可以提供维持氧化物稳定性的可能性.当电解液 pH增加到9.0时,甲酸产量及法拉第效率略有下降,可能是碱性环境不利于甲酸形成.
　　同时,对 SnO2-50纳米催化剂经28 h电解后的甲酸法拉第效率的衰减机制进行了深入研究.结果表明,随着电解时间延长,甲酸法拉第效率衰减.电解时间为1?28 h时,法拉第效率和甲酸产量均保持平稳下降趋势,28 h后法拉第效率由初始的56%降至24%.有文献报道,甲酸法拉第效率随电解时间的改变主要是由于阳极上甲酸的氧化或阴极上杂质的污染.为了证明阴极电解后的状态,我们对 SnO2-50/GDL阴极电解前后的 XPS谱进行了分析.结果发现,法拉第效率的下降是由于痕量氟离子沉积到 SnO2-50/GDL电极表面,这些痕量氟离子可能来自反应槽,阻碍电极表面 CO2电化学还原为甲酸.     

过渡金属硫化物催化剂上SO2的还原

 对系列过渡金属硫化物催化剂上CO还原SO2的反应进行了研究．结果表明，FeS的催化性能最好，而MnS的催化性能最差，其他几种催化剂的活性顺序依次为CoS＞CuS＞NiS．催化剂的活性与硫化物自身的氧化还原能力、所具有的晶相结构及其同SO2的吸附键合作用力有密切的关系．在硫化物催化剂上，SO2还原的反应机理很可能是贫、富含硫化合物的交替作用机理．     

过渡金属修饰对Pt/M-DMSN催化剂丙烷脱氢性能的影响

以两步法制备了一系列过渡金属(M=Fe, Co, Ni, Cu, Zn)修饰的树枝状介孔二氧化硅纳米粒子(DMSN)负载铂(Pt/M-DMSN)催化剂, 并对该系列催化剂进行了丙烷催化脱氢性能评价. X射线衍射(XRD)、 透射电子显微镜(TEM)、 紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和氢气程序升温还原(H₂-TPR)表征结果表明, 不同过渡金属在DMSN载体表面分散状态不同,且与Pt的相互作用程度不同. 其中Zn-DMSN载体最有利于Pt的分散, 且反应后催化剂上积碳含量最低; Pt/Fe-DMSN催化剂中Pt与载体的相互作用力较强. 通过活性评价结果可知, Pt/Fe-DMSN催化剂表现出最优的丙烷催化脱氢性能, 丙烷初始转化率为44.2%, 反应6 h后丙烷转化率仍可达36.5%.     

金属纳米簇在CO2光催化还原中的研究进展

化石燃料的大量燃烧不仅造成能源危机,而且排放的二氧化碳（CO2）会使气候变暖。以清洁、储量丰富的太阳光作为能量来源,将CO2光催化还原为高附加值的化学产品是缓解当前环境问题和能源问题的主要方法之一。然而,CO2在常温常压下非常的稳定,因此需要设计并构筑高效光催化剂来捕捉和转化CO2,以达到高效光催化CO2还原的目的。在众多研究的光催化剂中,金属纳米簇因其具有独特的结构特点、优异的物理和化学性质,所以在光催化CO2还原领域得到了广泛的应用。基于此,我们首先对金属纳米簇进行了分类,将其分为贵金属纳米簇和非贵金属纳米簇;然后分别对贵金属和非贵金属纳米簇在光催化CO2还原中的研究进展进行了归纳与总结。本文通过及时全面概述近几年该领域的研究进展,从而为未来研究方向提供新思路。     

基于过渡金属硫化物/还原氧化石墨烯复合物的高性能超级电容器

组装高能量密度的非对称超级电容器需要使用比电容大、 体积变化小且循环稳定性好的电极材料. 过渡金属硫化物(TMSs)与纳米碳材料的复合物是此类电极材料之一. 采用水热法合成了由Cu-Mo硫化物在微波剥离的还原氧化石墨烯表面生长的复合材料(CuS-MoS₂/MErGO). 此复合材料在电流密度为2 A/g时具有高达861.5 F/g的比电容和良好的循环稳定性. 将1.6 V的电池电压施加在由NiS/MErGO为正极, CuS-MoS₂/MErGO为负极组装成的不对称超级电容器上时, 该电容器的功率密度为1.28 kW/kg, 且能量密度保持为54.2 W·h·kg^-1. 结果表明, TMS复合材料是一种很有前途的高性能电化学储能材料, 尤其是用于非对称超级电容器的组装.     

Promoting CO2 electroreduction on boron-doped diamond electrodes: Challenges and trends

CO₂ electroreduction (eCO₂R) into fuel products is a promising technology to mitigate the effects of greenhouse gas emissions and store renewable energy. The main metal-based electrocatalysts widely employed in CO₂ reduction are characterized by high overpotentials, low stability, and unsatisfactory selectivity. As a result, a growing interest in the use of boron-doped diamond (BDD)-based electrocatalysts have been observed due to its excellent properties. This review sheds light on the techniques applied toward the eCO₂R on BDD surface and the effects of the operational conditions. Particular emphasis will be given on recent advances made in the quest for enhancing the performance of BDD in eCO₂R through its modification with defects insertion or functionalization with metal-based materials. The review will also present a brief overview of the challenges and directions of future research with respect to the development of different electrochemical systems for eCO₂R on BDD electrodes.     

CuPd催化剂调节中间反应能垒提高电催化CO2生成二碳产物的选择性

过度的碳排放已造成了严重的全球环境问题,电催化CO2还原是一种利用间歇性过剩电能将CO2转化为有价值的化学物质的有效策略.在多种CO2还原产物中,二碳(C2)产物(如乙烯、乙醇)因其比一碳产物(如甲酸、甲烷、甲醇)具有更高的能量密度而备受关注.Cu是唯一能用电化学方法将CO2转化为多碳产物的单金属催化剂.如何提高Cu基催化剂上CO2还原为C2产物的效率已引起了极大关注.电催化还原CO2生成C2产物有两个重要步骤:一是参与碳碳偶联反应的CO*中间体的量(*代表中间体吸附在基底表面),二是碳碳偶联步骤的能垒.对于Cu单金属催化剂,虽然其表面碳碳偶联步骤的能垒相对较低,但是Cu对CO2的吸附能力和CO2*加氢能力并不高,导致在Cu表面不能生成足量的CO*中间体参与碳碳偶联反应,因而对C2产物的选择性和活性并不理想.与Cu单金属催化剂相反,在Pd单金属催化剂表面,CO*中间体的形成具有超快的反应动力学,但是CO*易在Pd表面中毒且后续碳碳偶联步骤的能垒极高,使其表面不能生成C2产物.为了充分发挥Cu(碳碳偶联步骤能垒较低)和Pd(CO*形成具有超快反应动力学)的双重优势,本文构建了一种紧密的CuPd(100)界面,以调节中间反应能垒,从而提高C2产率.密度泛函理论(DFT)计算表明,CuPd(100)界面增强了CO2的吸附,且降低了CO2*加氢步骤的能垒,从而能够催化生成更多的CO*中间体参与碳碳偶联反应.且CuPd(100)界面上CO2还原为C2产物的电位决定步骤能垒为0.61 eV,低于Cu(100)表面的(0.72 eV).本文采用了一种简便的湿化学法制备了CuPd(100)界面催化剂.X射线衍射和X射线光电子能谱测试以及扩展X射线吸收精细结构光谱结果表明,合成的是相分离的CuPd双金属催化剂,而非CuPd合金催化剂.同时高分辨透射电镜可以观察到清晰的CuPd(100)界面.由此可见,本文成功合成了CuPd(100)界面催化剂.程序升温脱附实验结果表明,CuPd(100)界面对CO2和CO*的吸附比Cu强,结果与理论预测一致.气体传感实验结果表明,CuPd(100)界面CO2*加氢能力比Cu强.为评估CuPd(100)界面催化剂的催化活性,进行了CO2电化学还原实验.结果表明,在0.1 mol/L的KHCO3电解液中,CuPd(100)界面催化剂在–1.4 VRHE下,C2产物的法拉第效率为50.3％ ±1.2％,是同电位下Cu催化剂的(23.6％ ±1.5％)的2.1倍,C2产物的选择性是Cu催化剂的2.4倍,且具有更高的电流密度和更大的电化学活性面积.本文通过调控中间反应能垒以合理设计铜基CO2还原电催化剂提供了参考.     

过渡金属替代的CeO_2(111)表面上NO+CO反应机理的理论研究(英文)

采用DFT+U方法研究了过渡金属替代的CeO2(111)表面上的NO+CO反应机理,以探求不同过渡金属对N2选择性的影响.结果表明,在反应过程中,反应活性中心由过渡金属单原子与其最近邻的氧空位组成.NO在过渡金属-氧空位上发生N–O断键,不同过渡金属上该还原步骤的难易程度不同.计算发现,右过渡金属Rh,Pd和Pt替代的CeO2(111)表面可以与吸附物之间形成较强的吸附作用,进而可以达到较高的N2选择性.其主要原因是右过渡金属具有较多的d电子,可以与吸附小分子之间形成有效的反馈键.而左过渡金属拥有较少的d电子,难以有效抓住吸附物,最终导致较低的N2选择性.     

CO2在铜电极上的电还原行为

对常温常压下的MeCN, DMF和DMSO等3种有机溶剂中的CO2的电还原反应行为进行了研究, 求得了传递系数和扩散系数, 并证明了在MeCN, DMF和DMSO中, CO2的还原反应是受扩散控制的不可逆过程.     

CO2加氢直接制取二甲醚的研究

ＣＯ２加氢直接制取二甲醚的研究葛庆杰黄友梅１）邱凤炎李树本（中国科学院兰州化学物理研究所兰州７３００００）关键词二氧化碳催化加氢二甲醚铜催化剂分类号Ｏ６４３．３２二氧化碳在地球上含量极丰富，且随着工业的发展而日益增长．同时二氧化碳含量的日益增多，会加...     

Electrochemiluminescence bioassays based on carbon nitride nanomaterials and 2D transition metal carbides

Electrochemiluminescence (ECL) is a powerful technique for bioassays. To meet the growing demand for bioassays, it is necessary to develop new ECL emitters and co-reaction acceleration strategies to improve detection sensitivity and expand the application scope. Carbon nitride nanomaterials and 2D transition metal carbides, as newly emerging carbon-based nanomaterials, have been increasingly used for ECL bioassays due to their attractive optical and electrochemical properties as well as diversity. In this minireview, we summarized the latest advances in ECL bioassays using carbon nitride nanomaterials and 2D transition metal carbides in the past two years. Finally, we briefly discuss the future trends and challenges of carbon-based nanomaterials for ECL bioanalysis.     

水系体系中CO2在稀土(Nd)(Ⅲ)双酞菁修饰电极上的电催化还原研究

探讨了CO_2在稀土(Nd)(Ⅲ)双酞菁修饰电极上的电催还原行为。通过滴涂法将稀土(Nd)(Ⅲ)双酞菁担载在玻碳电极上制备成它的修饰电极,在水溶液中利用循环伏安、红外光谱法等方法研究制备的修饰电极对CO_2的电催化还原性能。结果表明,所制备的稀土(Nd)(Ⅲ)双酞菁修饰电极对CO_2的电催化还原有较高的活性,还原电流随修饰量增加而变大,修饰电极的还原电流与溶液的pH值有关,随着pH值变大,还原峰向负方向移动。实验结果表明,稀土(Nd)(Ⅲ)双酞菁修饰电极对二氧化碳电化学还原具有很好的电催化活性,在该修饰电极上,CO_2可在较正的电位下被还原。     

过渡金属氧化物掺杂对铜锰氧化物催化CO氧化性能的影响

以乙酸铜和乙酸锰为铜锰前驱体,以NH₄HCO₃为沉淀剂,相应金属硝酸盐为掺杂剂,采用共沉淀法制备了不同过渡金属氧化物掺杂的铜锰氧化物催化剂.?采用N₂物理吸附、X射线衍射,氢气-程序升温还原和原位红外漫反射光谱等方法对催化剂进行了表征,考察了系列催化剂上CO反应性能.?结果表明,掺杂过渡金属氧化物可以调变催化剂对CO的吸附能力,进而影响催化剂性能.     

Progress in the electrochemical reduction of CO2 on hierarchical dendritic metal electrodes

Electrochemical reduction of CO₂ (ERC) is a promising way to deal with CO₂ emissions in the atmosphere, recycle CO₂, and achieve a carbon-neutral economy. Electrodes made of hierarchical dendritic materials are investigated for the ERC owing to their structural advantages, including large surface areas, presence of facets with low-coordinated atoms, and needle-like tips. Selected examples are presented to illustrate the state-of-the-art investigation of these dendritic electrodes. The mechanisms and the function of the dendritic structure are discussed, combined with a comparison of performance results of ERC.