CO2电催化还原的研究——Ⅳ.光透薄层电极（OTTLE）研究反应机理

本文用薄层电极的光谱电化学技术，确定了催化剂碘化四[4-(三甲铵基）苯基]卟啉合钴（CoTMAPI)当恒电位控制在0.6、-0.3、-1.0V时分别得到一价、二价、三价中心离子的可见紫外光谱；检测到了咪唑存在下，CO2与一价钴卟啉生成的配合物，并用易于与一价钴卟啉配位的碘甲烷来进一步证实，从而肯定了CO2的电催化还原是通过形成CO2配合物中间体的反应途径。     

CO2电催化还原的研究(Ⅲ)——TPP、TMAP、TMAPI系列金属卟啉的电催化活性

由于CO₂电催化还原有较高的电流效率、较低的过电位和较高的能量转换效率、因而倍受人们的注意。我们系统地研究了以TPP、TMAP和TMAPI为配体的配合物对CO₂电催化还原的活性,这对于开发CO₂的综合利用无疑是有意义的。     

单原子催化剂在电催化还原CO2领域的应用

温和条件下以CO₂为原料制备高附加值化学品, 是CO₂资源化利用的重要方法, 在众多CO₂转化方法中, 电催化CO₂还原(e-CO₂RR)具有绿色、 清洁及条件可控等优势, 可以促进碳中和, 实现可持续发展. 然而, 由于其缓慢的动力学和较低催化剂活性, CO₂电催化还原仍然存在低选择性, 低电流密度的问题. 单原子催化剂具有最大的原子利用率和明确定义的催化活性位点, 同时因其良好的配位结构和独特的电子结构极大地促进了CO₂电催化还原的动力学过程, 是CO₂电还原领域极具发展潜力的催化材料. 本文讨论了过渡金属和主族金属基单原子催化剂用于电催化CO₂还原的研究进展, 系统总结了杂原子配位, 双/单原子位点, 金属-载体相互作用, 空间限域和分子桥联等策略调控单原子的微环境进而优化催化的性能, 揭示了单原子催化剂在 e-CO₂RR领域内的突出优势和广阔的应用前景. 最后, 分析了单原子催化剂在CO₂电催化转化过程中面临的挑战, 并对其未来进行了展望.     

CO_2电催化还原的研究 Ⅴ.有机碱对CO_2电催化还原的影响

考察了有机碱(咪唑和吡啶)对CO_2电催化还原的影响。结果表明:催化剂为1:1时,咪唑可提高催化剂的活性,过量咪唑会降低催化剂的活性;吡啶在任何配比量下都降低了催化剂活性。这证实了CO_2电催化还原是通过形成CO_2卟啉钴配合物的推断。     

调节氧化镉-炭黑界面高效电催化CO2还原生成CO

通过调节氧化镉与炭黑之间的界面实现了高效电化学二氧化碳还原. 不同氧化镉和炭黑含量的 CdO/CB复合材料利用超声处理方法制备. 采用X射线衍射、 X射线光电子能谱和透射电子显微镜对所得复合材料进行表征, 揭示了其结构组成和形貌. 用H型电解池对CdO/CB复合材料电催化二氧化碳还原的性能进行测试发现, CdO质量分数为20%的CdO/CB 可在-1.0 V(vs. RHE)电位下获得高达92.7%的总法拉第效率, 而纯CdO在相同条件下的法拉第效率仅为69.5%. CO的法拉第效率最高可达87.4%. 进一步的对比实验和动力学研究结果表明, CdO/CB具有更高的电催化CO₂还原性能源于复合材料中氧化镉与炭黑之间的界面和高接触面积. 此外, CdO/CB可在至少10 h的二氧化碳电还原反应中保持稳定的CO法拉第效率.     

过渡金属单原子电催化剂还原CO2制CO

电催化二氧化碳还原(ECR)技术是实现“碳中和”目标的一种理想途径,而过渡金属单原子催化剂具有电子结构可调、原子利用率高和活性位点均一等特点,在ECR研究中具有显著优势。本文首先介绍了单原子电催化剂在还原CO₂尤其是在选择性生成CO研究中的优势,然后综述了近年来Fe、Co、Ni及其他单原子电催化剂的反应位点调控策略与电催化选择性的调控机制,重点对质子耦合CO₂还原生成CO的中间过程调控进行了归纳总结,并简要展望了发展方向,以期为推动单原子催化剂在ECR中规模化应用提供指导和参考。     

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.     

惰性小分子电催化还原反应的电解液调控

本文概述了惰性小分子电催化还原反应（如二氧化碳还原反应和氮气还原反应）中电解液的组成和作用机制,介绍了相关电解液研究的最新进展,并讨论了电解液调控在揭示反应机理、改善催化性能中的重要作用.     

SnO2/GDE阴极的制备及电催化还原CO2产甲酸性能

采用低温水热合成法制备了碳纸基底的SnO₂气体扩散电极(SnO₂/GDE), 并对其物化特性与催化还原CO₂产甲酸性能进行了研究. 扫描电子显微镜、 X射线衍射及X射线光电子能谱表征结果表明, 在60, 75, 100 ℃下制备的催化剂均为分散性良好的纳米SnO₂粉体, 其粒径分别为7.9, 11.8和12.9 nm. 循环伏安、 线性扫描伏安和电化学交流阻抗测试结果显示电极均具有优异的电催化活性, 其电化学活性表面积分别为150, 470, 240 cm ², 通过等效电路拟合后电阻分别为8.5, 3.9, 6.6 Ω·cm ². 在-1.8 V(vs. SCE)电位下电解, 通入电量500 C时, 电极都具有较高电催化还原CO₂产甲酸性能, 而75 ℃下制备的电极性能最佳, 产甲酸电流密度为22.8 mA/cm ² , 产甲酸法拉第效率高达93.5%; 该电极经过20 h长时间电解后, 产甲酸电流密度可维持在12.8 mA/cm ² , 产甲酸法拉第效率稳定在约65%.     

过渡金属修饰对铜箔电催化还原CO2的性能影响

CO2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CO2还原,主要有光催化、电催化以及光电催化等方法,其中还原CO2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CO2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CO2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CO2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CO2性能.电极的表面形貌用扫描电镜表征, CO2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CO2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CO2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CO2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.     

一体化电极电催化二氧化碳还原研究进展

电催化二氧化碳还原反应(E-CO₂RR)可在温和条件下将CO₂转化成高附加值燃料或化学品,近年来受到广泛关注,其在实际反应中涉及到气体扩散和多电子转移等复杂过程,构筑高效、稳定的催化电极是其发展的核心之一。然而,传统涂敷电极制备时,需要将催化剂与粘结剂混合涂覆于集流体表面,此过程会造成活性位点包埋和传质过程受限,致使催化剂活性位利用率下降,同时在反应过程中电极表面容易粉化,造成稳定性下降,难以重复利用。因此,如何调控电极反应界面,提升催化剂活性位的利用率仍面临挑战。将催化剂原位生长于集流体上得到的一体化电极可直接应用于电催化反应,不仅有利于提升活性位利用率以及电荷传输能力,还能有效调控三相界面处的微观反应环境(如pH、反应物及反应中间体的浓度等),从而实现电催化性能强化。本文综述了一体化电极用于E-CO₂RR的最新进展,分析了结构和表界面调控对E-CO₂RR性能的影响规律,并对该领域仍然存在的挑战和未来一体化E-CO₂RR电极的发展进行了评述与展望。     

海胆针状金纳米颗粒用于电催化二氧化碳还原

采用不加表面活性剂的种子介导生长策略合成了具有针状结构的金纳米颗粒, 其针尖处的尖端电场效应能有效富集电解质阳离子并提高二氧化碳局部浓度, 从而提高催化剂的电流密度和一氧化碳选择性, 在 -0.6 V(vs. RHE)时的法拉第效率可以达到96%. 电化学性能测试结果表明, 其高选择性不仅来源于丰富的表面缺陷, 更主要源于其独特的针状结构所带来的尖端电场效应.     

双二苯基-1-甲基咪唑膦氯化镍的制备及其电催化还原CO2的研究

以二苯基-1-甲基咪唑膦（dpim）为配体制备了一种新型的配合物催化剂Ni(dpim)₂Cl₂. 循环伏安研究表明,Ni(dpim)₂Cl₂配合物在氮气气氛下表现出两步还原的电化学行为,在-0.7 V下为两电子的不可逆还原,在-1.3 V下为单电子准可逆还原. 向电解液中通入CO₂后,在-1.3 V下的还原峰变得不可逆,且其峰电流从0.48 mA·cm^-2增大到0.55 mA·cm^-2. 在质子源（CH₃OH）存在的条件下,该还原峰电流可继续增大到0.72 mA·cm^-2. 该研究结果表明,Ni(dpim)₂Cl₂配合物对CO₂还原具有良好的电催化性能,且其电催化还原过程符合ECE机理. 在-1.3 V下恒电位电解得到的还原产物主要为CO,催化转换频率（Turnover of Frenquency, TOF）为0.17 s^-1.     

碱金属阳离子对铁卟啉电催化CO2还原的影响

电催化CO2还原反应(CO2RR)可以有效地将温室气体转化为燃料或高附加值的化学品,从而缓解目前人类所面临的环境问题和能源危机,其中开发高效的电催化剂是至关重要的环节.近年来,研究者设计了多种高效的过渡金属配合物(包括Mn,Fe,Co,Ni和Cu)用作CO2RR分子电催化剂,并研究了其中的构效关系,例如,在分子内修饰质子给体取代基或电荷取代基可以显著提高CO2RR的催化效率.而电催化CO2RR的实际应用要在含有碱金属阳离子(例如,Na+和K+)的电解质水溶液中进行,但在已有报道中,很少有关于碱金属阳离子对CO2RR的影响.在众多的分子催化剂中,铁卟啉可以以较高的催化活性和选择性实现CO2到CO的转化.重要的是,卟啉环的刚性结构、稳定的配位环境及其骨架上官能团的易于修饰性成为研究CO2RR的构效关系的理想分子模型.基于以上考虑,本文以铁卟啉配合物为分子模型,研究了碱金属阳离子Na+和K+对电催化CO2RR的影响.首先,本文合成了简单的A4型铁卟啉化合物四-(3,4,5-三甲氧基苯基)-铁卟啉(FeP).并采用核磁共振、质谱分析、单晶衍射等表征手段对化合物进行了表征,在含有电解质的DMF溶液中测试其电催化CO2还原性能.实验结果表明,FeP可以实现高效的电催化CO2还原,催化电流随FeP的浓度呈线性增加,说明催化反应速率与催化剂浓度呈一级反应速率关系.较长时间的恒电压电解实验以及电解前后化合物的紫外-可见光谱证实了FeP的稳定性.通过气相色谱对产物进行分析,CO为主要产物,法拉第效率为95％.以上结果均表明,FeP是一个优良的分子催化剂.在此基础上,本文还发现加入Na+和K+均可以显著提升催化活性,而K+的加入使催化电流的提升更加显著,这可能是由于K+在溶液中的迁移速度比Na+更快.基于此实验现象,本文通过在FeP的第二配位层修饰1-氨-18-冠-6-醚官能团(N18C6),合成了N18C6-FeP化合物.结果表明,由于N18C6与Na+/K+之间的配位作用,使得N18C6-FeP比FeP具有更好的电催化CO2RR活性.研究表明,催化活性的提升归因于碱金属阳离子能够通过静电相互作用稳定Fe-CO2中间体.1H NMR谱证实了N18C6基团的确能够螯合碱金属阳离子.本文研究证明了碱金属阳离子对改善电催化CO2RR的积极作用,对于进一步深入了解CO2RR催化反应机理和未来合理的设计高效催化剂也都具有重要意义.     

三相界面电催化二氧化碳还原研究进展

电催化二氧化碳还原是能源化学及催化科学的研究重点与难点.气-固-液三相界面模型作为物理化学中的基本概念,近年来被越来越多地应用于电催化二氧化碳还原反应的研究,其相比于传统固-液两相体系表现出了诸多优点.本综述阐述了三相界面电催化二氧化碳还原研究进展,对三相界面电催化体系进行分类及原理探究.再具体到二氧化碳还原反应,讨论...     

纳米晶枝CuAu合金催化剂对二氧化碳电催化还原性能的研究

利用可再生清洁能源将CO2转化为CO和其他小分子是合成含碳燃料的可观方法之一.间歇性可再生能源存储的重要策略之一是将二氧化碳进行电化学还原.选择具有高活性和稳定性的电催化剂对于电化学还原CO2至关重要.在这项研究中,我们使用简单的电沉积方法合成了具有纳米晶枝状结构的CuAu合金电极.各项表征显示原子比约为1∶1的CuA...     

氮化铌电催化还原CO2

通过电化学的方法将CO₂转化为CO是解决资源和环境问题的经济友好的策略。在本次工作中,利用湿化学方法制备了铌/碳的前驱体,在NH₃和Ar氛围下煅烧后分别转化为Nb₄N₅/C和Nb₂O₅/C。当氮化温度达到700℃时,制备的Nb₄N₅/C表现出优异的催化活性,在CO₂饱和的0.5 mol·L^-1的NaCl溶液中,电解电位为-0.83V（RHE）时,CO的法拉第效率最高,达到57%。实验结果表明,Nb₄N₅/C的催化活性与Nb₄N₅中的N掺杂有关。     

铋基二氧化碳还原电催化材料研究进展

二氧化碳（CO₂）作为一种经济、安全、可再生的碳资源化合物,其高效回收利用一直是全社会关注的焦点. 利用电化学方法,将CO₂还原转化生成一系列高附加值的化学品或燃料,对于缓解能源与环境双重压力具有重要的现实意义. 本论文介绍了电化学CO₂还原反应的基本原理与过程,综述了近年来铋基催化材料的发展现状,重点对这类催化材料的制备合成、结构调控、催化反应机理研究等方面进行了总结,最后对其未来发展方向进行了探讨与展望.     

高催化活性M-BHT(M=Co， Cu)电催化还原CO2为CH4的密度泛函理论研究

具有独特电子结构和丰富催化位点的二维金属有机框架材料是具有高活性的CO₂还原反应的电催化剂. 本文基于密度泛函理论(DFT)计算, 发现单层Co-BHT(BHT=benzenehexathiol, 苯六硫醇)将CO₂还原为CH₄时具有很高的催化活性. 吉布斯自由能变化计算结果表明, 在Co-BHT上将CO₂还原成CH₄的最佳反应路径为CO₂→^*COOH→^*CO→^*CHO→^*CHOH→^*CH→^*CH₂→^*CH₃→CH₄; 整个反应的速度控制步骤为^*CO→^*CHO; 速度控制步骤的吉布斯自由能变化(ΔG_L)为0.66 eV, 比在二维Cu-C₃N₄(ΔG_L=0.75 eV)和传统的Cu(211) 表面(ΔG_L=0.74 eV) 将CO₂还原为CH₄的吉布斯自由能变化都小. 而在单层Cu-BHT表面的反应路径和速度控制步骤 (CO₂→^*COOH)与Co-BHT均不同, 且ΔG_L为0.76 eV. 与Cu-BHT相比, Co-BHT将CO₂还原为CH₄的ΔG_L更低, 这可能归因于Co-BHT的d能带中心高于Cu-BHT, 导致Co-BHT与中间体的相互作用更强.