铜–锑双金属合金高效电催化还原二氧化碳制乙烯（英文）

随着全球工业化进程的快速发展,日益增多的人类活动不仅加速化石燃料的消耗,还会导致温室气体二氧化碳(CO₂)的大量排放.同时,CO₂也是廉价、无毒无害、储量丰富的C₁资源,将其转化为有价值的化学品具有碳资源合理利用和环境保护的双重意义.近年来,采用电化学方法温和条件下还原CO₂为重要化学品和燃料引起广泛关注.其中,探索廉价电催化剂,高效催化还原CO₂为C₂产物仍是一个具有挑战性的课题.铜基催化剂由于自身低成本和可还原CO₂为多种碳氢产物的优点而备受关注.然而,铜基电催化材料具有选择性差、失活严重和效率低等缺点,并且在电催化还原CO₂过程中需要较高的过电位,反应过程中会受到氢气析出副反应的影响.为了得到一种化学性质稳定、高电流密度和高选择性等优点的材料在电催化CO₂还原中得到了广泛的研究.然而,单纯的铜催化剂对CO₂分子的活化以及反应中间体的吸附能力较低,导致了铜基材料催化...     

单原子催化剂在CO2转化中的应用

单原子催化剂(SAC)是由互相隔离分散的原子级活性位点锚定在基底上而形成的一类新兴催化剂材料, 其具有最大化的原子利用率、 可调控的独特电子结构, 因而在热催化、 光催化及电催化等方面展现出良好的应用前景. 通过SAC的热/光/电催化CO₂转化反应(CCR)能将温室气体CO₂转化为燃料或具有附加值的化学品, 为解决严重的全球变暖和能源短缺问题提供了一种有效策略. 本文总结了近年来SAC在CO₂转化领域的研究进展, 讨论了其合成、 调控及催化各类CO₂转化反应的优缺点, 并对其未来的发展进行了展望.     

CO2和N2电还原中缺陷及界面工程的最新进展

实现碳氮循环是人类社会发展的迫切要求,也是催化领域的热门研究课题。在可再生能源的推动下,电催化技术引起了人们的广泛关注,且可以通过改变反应电压获得不同的目标产品。基于此,电催化技术被认为是缓解当前能源危机和环境问题的有效策略,对实现碳中和具有重要意义。其中,电催化CO₂还原反应(CO₂RR)和N₂还原反应(N₂RR)是一种有前途的小分子转化策略。然而,CO₂和N₂均为线性分子,其中C＝O和N≡N键的高解离能导致了它们高的化学惰性。此外,最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)之间的巨大能量间隙使它们具有高的化学稳定性;且CO₂和N₂的低质子亲和力使它们难以被直接质子化。另一方面,由于CO₂RR和N₂RR与析氢反应(HER)具有相近的氧化还原电位,造成其与HER之间存在竞争性关系,这也是致使催化剂在CO₂RR和N₂RR转化效率低的重要影响因素。因此,CO₂RR和N₂RR仍然面临着过电位高及法拉第效率低等问题。为了克服这些瓶颈,人们为提升CO₂RR和N₂RR电催化剂性能做出了很多努力。众所周知,电催化过程发生在催化剂表面,主要涉及质量传递和电子转移等过程。由此可见,催化剂的性能与其质量和电子传输能力密切相关,而调控催化剂表面结构可以优化活性点的质量和电子转移行为。电催化剂的缺陷和界面工程可通过表面原子工程来实现电子结构调控,对于提高气体吸附能力、抑制HER、富集气体及稳定中间产物等具有重要意义。到目前为止,所报道的各种缺陷和复合电催化剂在提高CO₂RR和N₂RR催化性能等方面均表现出巨大的潜力。在此,我们综述了CO₂RR和N₂RR中催化剂缺陷工程及界面工程的最新进展;首先讨论了四种不同的缺陷(空位、高指数晶面、晶格应变和晶格无序)对CO₂RR和N₂RR性能的影响;然后,总结了界面工程在聚合物-无机复合材料催化剂中的重要作用,并给出了典型实例;最后,展望了原子级电催化剂工程的发展前景,提出了开发和设计高效CO₂RR和N₂RR电催化剂的未来发展方向。     

p区金属基电催化还原二氧化碳制甲酸催化剂研究进展

以清洁可再生电能为驱动力,常温常压下将二氧化碳(CO₂)选择性还原转化生成高附加值化学品或燃料,是解决目前能源和环境问题、实现CO₂资源化利用、促进碳循环回归平衡的有效手段之一。由于生成不同产物的还原电位和反应历程不同,单位产物的生产成本各有差异。最近研究表明,HCOOH是所有电化学CO₂还原产物中最具有经济效益和实用价值的产物之一。本文从电催化还原CO₂制HCOOH生成机理出发,综述了p区金属(如Sn、Bi、In)基催化剂在电催化还原CO₂制HCOOH领域取得的重要研究进展,其中以典型催化剂为例分析了CO₂还原生成HCOOH活性提高策略如氧化物还原转化、形貌调控、掺杂和合金化等,重点探讨了活性位点种类、数量以及催化剂电子结构在关键中间体*CO₂^.-、*OCHO的形成和吸附中的作用,最后总结了目前该领域面临的挑战以及未来发展方向。     

电催化CO2还原过程中非均相界面的动态行为(英文)

自工业革命以来, CO₂的过量排放导致了环境污染和气候变化,对人类可持续发展造成了极大的威胁.由可再生电力驱动的电催化CO₂还原反应(CO₂RR)技术可在较温和的条件下将CO₂转化为高附加价值的燃料和化学品,因而是一种有效的CO₂转换和利用的方法.尽管电催化CO₂RR已经取得了较大的研究进展,但其工业化应用依旧面临着许多挑战:CO₂RR的反应路径涉及多步电子-质子转移,其产物组分较复杂(包括C₁到C₃的产物),并且反应过程伴随着析氢反应(HER)副反应发生.此外,不同电催化剂的使用以及实验操作条件均对CO₂RR影响较大,导致目前CO₂RR催化剂性能尚不够理想,因而难以获得实际应用.为进一步开发性能良好的电催化CO₂RR体系,以及认识实际反应过程中催化体系真正的活性位点,理解电催化剂表面结构演变机制至关重要.本文综述了CO     

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.     

电解液调控CO2电催化还原性能微观机制的研究进展

二氧化碳(CO₂)排放导致了严重的温室效应, 但作为重要的碳资源, CO₂电催化还原合成化学品因反应条件温和、 反应产物可调及可有效利用分布式电能等优势而备受关注. 在该反应体系中, 电解液作为反应介质, 可提供质子和反应微环境, 影响分子/离子传输. 因此, 构建新型电解液体系对于提高CO₂电催化还原产物的选择性和电流密度起到重要作用. 本文综合评述了CO₂电催化还原过程中电解液的作用和研究现状, 重点总结了水系电解液中阴阳离子(碱金属阳离子、 卤素离子等)和离子液体电解液对CO₂溶解度、 界面双电层结构(pH值、 电场效应)和中间体稳定性等的影响机制, 揭示了其调控对反应产物的选择性、 电流密度等的影响规律. 最后, 对电解液调控CO₂电催化还原性能的研究进行了展望.     

二氧化碳电催化还原中的电解质效应（英文）

二氧化碳(CO₂)电催化还原反应利用可再生能源将CO₂转化为高值燃料和化学品,是一种新型的碳中和技术。CO₂电催化还原反应在电极/电解质界面上进行,因此除催化剂以外,电解质对提高CO₂电催化还原反应性能同样至关重要。本文深度剖析了CO₂电催化还原反应中的电解质效应,结合近几年的最新研究进展,详细讨论了局部p H、阳离子、阴离子和离子交换膜等电解质组成和性质对电催化活性和产物选择性的影响,阐述了电解质效应的催化作用机制。本文特别强调了电化学原位红外/拉曼等振动光谱在电解质效应机理研究方面的优势以及面向实际应用的膜电极CO₂电解器中阴离子、阳离子、水、液体产物等物质传输对活性、选择性、能量效率及CO₂利用效率等关键催化性能指标的影响。本文最后提出了当前电解质效应研究中存在的挑战,并展望了未来的研究机遇和发展趋势。     

咪唑鎓盐基材料电催化二氧化碳还原研究进展（英文）

随着化石能源的使用日益增加,大气中CO₂的浓度不断上升,给环境带来了挑战。通过催化将CO₂转化为高附加值化学品为解决这些问题提供了一个机会,并为燃料合成开辟了一条新的途径,最终有助于减少CO₂排放并实现碳中和。在众多的方法中,利用可再生清洁能源进行CO₂电还原反应(CO₂RR)以其反应条件温和、反应进度可控、环境友好以及可以产生大量的附加值产品而受到重视。在此背景下,咪唑鎓基材料及其衍生物已成为CO₂RR的有潜力的候选材料。这些材料对CO₂有很强的亲和力,并且在CO₂RR系统中作为电解质和电催化剂都有应用。所以它们的主要优点之一是能够在催化体系中富集CO₂,有效地抑制析氢副反应(HER),并提高CO₂RR产物的选择性。了解电催化条件下咪唑鎓基离子液体(Im-ILs)与CO₂分子之间的相互作用机制对于从分子角度深入了解为什么添加Im-ILs可以改善C...     

金属-有机框架基材料在二氧化碳光催化转化中的应用

将大气中的二氧化碳(CO₂)转化为燃料或高附加值化学品是降低大气中CO₂含量、 减缓温室效应的有效途径之一. 光催化CO₂化学转化条件温和, 能耗低, 在CO₂转化中占有重要地位. 金属-有机框架(MOF)基材料由于具有比表面积大、 光电性质优良和可调节性强等特点, 是CO₂光催化转化的常用催化剂之一. 本文综合评述了近两年MOF基材料在光催化CO₂还原反应、 CO₂环加成反应和CO₂羧基化反应中的应用, 阐释了MOF基材料在CO₂光催化转化中的优势和局限性, 并展望了其未来发展.     

金属-有机骨架衍生催化剂在二氧化碳加氢和费托合成反应中的应用

CO₂加氢和费托合成反应是C1化学中重要的研究领域,CO₂加氢制备高附加值化学品和燃料有助于降低大气中CO₂浓度,减轻化石燃料消耗的压力;费托合成反应是以非石油资源为原料生产液体燃料和化学品的重要路径。 开发新型、高效、稳定的催化剂是CO₂加氢和费托合成反应的关键点之一。 利用金属-有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)材料的特点制备的MOFs衍生催化剂在CO₂加氢和费托合成反应中具有较好的应用前景。 本文综述了CO₂加氢和费托合成反应中MOFs衍生催化剂的制备方法,以及催化剂在各反应中的催化性能,并对目前所存在的问题以及今后的发展进行了总结和展望。     

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.     

Cu-In二元金属催化剂上CO2电化学还原 (英文)

石油、天然气和煤等化石能源的转化利用不可避免排放大量的CO₂,造成一系列生态和环境问题.CO₂电化学还原可以在温和反应条件下将CO₂转化为CO或甲酸等,近年来受到研究者广泛关注,但因CO₂具有很稳定的化学结构,CO₂电化学还原要求催化剂具有高的活性,选择性和稳定性.贵金属如金和钯可以有效地将CO₂转化为相应的燃料如CO和甲酸等,但贵金属昂贵的价格限制了其大规模应用,所以迫使人们寻找非贵金属催化剂来替代它们.铟及其合金被应用于CO₂电化学还原生成甲酸,但在低过电位下,这些催化剂的电流密度和选择性都不理想.铜基催化剂也能催化CO₂电化学还原生成甲酸,但在短时间内稳定性较差.因此,需要进一步提高In和Cu催化剂上CO₂电化学还原的电流密度和稳定性.一种可能的解决方案是构建Cu-In双金属催化剂,通过两者的协同作用,有望提升在低过电位下CO₂电化学还原生成甲酸的电流密度和稳定性...     

调节金属有机框架的配体场实现在工业电流密度下将CO2高选择性还原为碳氢化合物(英文)

电化学CO₂还原反应(eCO₂RR)利用可再生能源将CO₂转化为增值化学品,因而得到广泛关注.然而,目前已报道的电催化剂倾向于将CO₂转化为HCOOH和CO,而不是增值化学品.金属有机框架(MOF)由于具有较大的比表面积、可调的结构和丰富的活性位点,已被广泛应用于多相催化、气体储存和气体分离等领域.MOF是研究结构-性能关系的理想平台.金属多氮唑框架(MAF)是一类具有较好化学稳定性的MOF,但在电催化方面的研究很少.本文合成了三种具有相同四铜(Ⅱ)簇单元的金属多氮唑框架(Cu-BTP,Cu-BTTri和Cu-BTT),分别由吡唑、三氮唑和四氮唑衍生配体构成.配体的pKa值依次为H₃BTP (pKa=19.8)>H₃BTTri(pKa=13.9)>H₃BTT(pKa=4.9),表明与BTTri^3-和BTT^3-相比,BTP^3-具有最高的配体场强或配位能力.在相...     

CO2电催化转化迈向大规模化的挑战与展望(英文)

全球CO₂排放量持续增长,冲击全球能源格局.CO₂电催化转化为高值化学品与液体燃料是实现绿色化工和降低碳排放的有效途径.针对催化剂和电解器的实验室研究为CO₂大规模电解奠定了基础.然而具有实用价值的全电解池CO₂电解,在工业级电流密度下的CO₂转化率、反应活性与稳定性仍较低.电极面积和数量的放大研究发现,由于电场、流场等的复杂多场耦合引起的放大效应,使得反应寿命、能耗等反应性能下降.本文综述了面向CO₂规模化电解的关键多尺度研究内容,聚焦实现CO₂高效转化的重要挑战和前沿研究进展,并展望了助力实现CO₂商业化应用的发展方向.基于聚合物电解质膜并以水作为质子源的低温CO₂电解路线是具有工业化应用前景的反应路线之一,能用于制备CO、甲酸、乙烯、乙醇等C1-C3化合物,是当前研究重点.膜电极(MEA)电解器容易在电极面积和数量上扩展,是有望实现大规模部署的CO₂电解装置.目前...     

氮硫共掺杂高比表面中空碳球的制备及其在电催化二氧化碳还原中的应用（英文）

化石燃料是现代能源体系的重要支柱,其大量使用导致大气中CO₂浓度不断增加,加剧了全球变暖和环境恶化.因此,各国研究人员开发了大量技术手段以捕获和重新再利用CO₂这一丰富的碳资源.其中, CO₂电催化还原(CO₂RR)技术在减少CO₂排放和将其转化为有用化学品等方面极具潜力.但是, CO₂RR具有反应能垒高和动力学过程缓慢等特点,进而限制其转化效率,故使用传统的贵金属材料(Ag, Au, Cu及Pd等)作为CO₂RR高效的催化剂.然而,贵金属材料的大规模应用受限于它们成本高昂、稳定性差及环境毒性等缺点.在各类可替代贵金属催化剂中,碳材料因其廉价丰富、结构可调和导电性高的特点在CO₂RR应用上展现出诱人的前景,因此,探索合适的碳基催化剂在高效催化二氧化碳领域具有重要的研究价值和意义.本文通过简单有效的方法制备了一种氮硫共掺杂的高比表面的碳基催化剂(SZ-HCN)用于CO₂RR.首先利用表面活性剂...     

铜基电催化剂还原CO2

温室气体CO₂的大量排放给全球气候造成潜在威胁,电化学还原CO₂为有用的化工产品作为一种人为的碳循环的方式,拓展了新的利用CO₂的可能性,并且是一种很有前景的显著改善环境、促进可持续发展的方法。然而,在转化CO₂为有价值的产品过程中,最大的挑战是抑制析氢副反应的同时达不到高效率、高选择性。铜因其在电催化还原CO₂过程中优异的催化性能而得到广泛关注。本文重点介绍了近年来电催化还原CO₂的发展以及电化学转化CO₂的优缺点,介绍了CO₂RR的热力学与动力学研究并概述了Cu电极、Cu MOFs材料电极以及通过氧化、合金化、纳米化和表面修饰等方法修饰的铜电极的进展,但是电催化还原CO₂的反应机理尚不太确定。最后,讨论了未来铜基电极催化剂高效率地选择性转化CO₂会面临的挑战和可能研究的方向。     

铜基串联催化剂电催化CO2还原的研究进展

化石燃料的燃烧和其他人类活动排放了大量的CO₂气体,引发了诸多环境问题。电催化CO₂还原反应(CO₂RR)可以储存间歇可再生能源,实现人为闭合碳循环,被认为是获得高附加值化学品和燃料的有效途径。电催化CO₂RR涉及多个电子-质子转移步骤,其中^*CO通常被认为是关键中间体。铜由于对^*CO具有合适的吸附能,已被广泛证明是唯一能够有效地将CO₂还原为碳氢化合物和含氧化合物的金属催化剂。然而,纯Cu稳定性差、产品选择性低、过电位高,阻碍了工业级多碳产品的生产。构筑Cu基串联催化剂是提高CO₂RR性能的一种有前途的策略。本文首先介绍电催化CO₂RR的反应路线和串联机理。然后,系统地总结铜基串联催化剂对电催化CO₂RR的最新研究进展。最后,提出合理设计和可控合成新型电催化CO₂RR串联催化剂面临的挑战和机遇。     

理论空燃比天然气汽车尾气中H2O和O2对CH4与NO反应的影响

共沉淀法制备CeZrYLa+LaAl 复合氧化物载体, 等体积浸渍法制备了Pt 催化剂, 用于研究理论空燃比天然气汽车(NGVs)尾气净化反应中CH₄与NO的反应规律. 并考察了10% (体积分数, φ)H₂O和计量比O₂对CO₂存在时的CH₄+NO反应的影响. 结果表明: 对于不同条件下的NO+CH₄反应, 主要生成N₂和CO₂, 高温区有CO生成. 低温区无O₂时可以生成N₂O, 有O₂时可以生成NO₂; 添加10% (φ)的H₂O后, CH₄ 转化活性降低, NO转化活性基本不变, 这是由于H₂O减弱了CH₄与CO₂的重整反应, 但是对CH₄与NO的反应基本没有影响; 添加计量比的O₂后, CH₄转化活性提高, 而NO转化活性降低, 这是由于O₂和NO之间存在竞争吸附, CH₄被O₂氧化为主要反应, 从而减弱了NO的转化; 同时添加计量比的O₂和10% (φ) H₂O, CH₄与CO₂的重整反应受到抑制,CH₄与NO的反应、甲烷蒸汽重整反应和甲烷被O₂氧化反应同时发生, CH₄和NO的转化活性均提高.     

具有丰富晶界的铜催化剂在气-液平衡扩散电极上高效电还原CO2制C2H4(英文)

电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)可以将二氧化碳转化为具有高经济价值的碳氢化合物,被认为是实现碳中和并缓解能源危机的一种有潜力的技术.铜(Cu)作为一种最有应用前景的非贵金属催化剂之一,表现出较高的催化CO₂RR转化为多碳产物(C₂₊)的活性.然而,电催化CO₂还原成C₂₊产物涉及一个动力学过程缓慢的C-C偶联反应,这导致C₂₊产物的选择性较低,电流密度低,阻碍了其在工业电解槽中的实际应用.同时,CO₂RR产物的选择性不仅取决于热力学速率决定步骤,还取决于传质控制动力学.CO₂RR发生在固-气-液三相反应界面,气-液的平衡扩散可以有效抑制析氢竞争反应,进而提高CO₂RR的反应效率.本文设计合成了一种富晶界的Cu纳米带催化剂,并构建了气-液平衡扩散的电极结构,用于高效电催化二氧化碳还原制备乙烯(C₂H₄).以一种碱式碳酸铜(Cu₂