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相似文献
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1.
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  相似文献   

2.
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。  相似文献   

3.
利用电催化技术和阴极区的还原反应将CO2转化为高能化学品是解决温室效应和实现人工碳循环的有效途径。与其它金属催化剂相比,Cu基催化剂因其能生成多碳产物而备受关注,但其缺点是对产物的选择性差。因此,近年来,研究者致力于探究Cu基催化剂在反应过程中的C-C偶联机制及影响因素,并对Cu基催化剂进行针对性的结构设计和实验合成。本文总结了Cu基电极上电催化CO2还原反应(CO2RR)的基本原理,分析了影响电催化CO2RR的关键因素(电催化反应器、pH值、压力和温度、CO2的流速与浓度),综述了针对Cu基催化剂改性的相关策略(合金化、纳米结构改性、杂原子掺杂、亲/疏水性、单原子催化剂)的研究进展,最后,展望了电催化CO2RR的Cu基催化剂领域的机遇与挑战,以期为今后开展相关研究提供有益参考。  相似文献   

4.
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...  相似文献   

5.
温和条件下将CO2电催化还原(CO2RR)为高能量密度燃料和高附加值碳产品是降低大气中CO2浓度、储存间歇性可再生能源、实现碳中和的重要途径之一。设计和开发对电催化CO2RR兼具高活性、高选择性、高稳定性、且对析氢反应(HER)具有显著抑制作用的高性能廉价催化剂是CO2RR研究的关键。单原子催化剂(SACs)由于其独特的电子结构和几何结构对许多重要化学反应(如CO氧化反应、加氢反应、析氧反应、氧还原反应、析氢反应等)显示出优异的催化活性而广受关注。近年来,N掺杂多孔碳载体过渡金属单原子催化材料(M-N-C)显示出对电化学二氧化碳还原的广阔前景、并有望成为在水相电解质中还原CO2的贵金属(Au,Ag)催化剂的替代品。本文从单原子催化材料M-N-C的制备、影响电催化性能的因素及MNx活性基团三个方向介绍了单原子催化剂M-N-C电催化CO2RR的研究现状和进展。最后,就目前该方向研究中尚待解决的问题进行了总结、并对下一步的研究进行了展望。  相似文献   

6.
利用电化学方法将温室气体CO2还原(CO2RR)为高附加值化学品是解决环境和能源问题的一种很有前景的办法.目前,大量具有催化活性的材料已被广泛应用于CO2RR中,主要包括金属、合金、金属氧化物和金属-碳氮复合材料等.然而大部分金属也是很好的析氢反应(HER)活性位点,容易在CO2RR催化过程产生大量氢气,同时部分金属位点容易被CO毒化导致活性与选择性下降,而且金属成本较高也会阻碍催化剂的工业化应用.因此,开发低成本、高性能的无金属的氮掺碳材料(mf-NCs)作为高效CO2RR催化剂,以及研究相关的催化机理对于解决温室效应和能源短缺问题都至关重要.但N活性位点不清晰以及本征活性较低等劣势阻碍了mf-NCs成为一种高性能催化剂.精准控制合成具有明确N活性位点的mf-NCs催化剂仍然十分具有挑战性.目前,文献报道了一些mf-NCs(如氮杂石墨烯、氮杂纳米管)在CO2RR中的应用.但是,在合成石墨烯或者碳纳米管的过程中需要使用到金属元素,完全去除它们非常困难.比如...  相似文献   

7.
化石燃料的大量消耗和环境的逐渐恶化导致迫切需要开发和探索有效的能源转换和存储技术. 电化学是各种能源转换装置的基础和关键. 设计和合成具有高催化活性的非贵金属基和非金属基催化剂是最好的选择. 金属有机骨架(MOF)衍生的碳基材料具有比表面积大、 孔隙率高的特点, 可以选择性地限制不同类型的金属. 因此, MOF衍生碳作为催化剂载体使用时具有良好的限域效应, 有利于提高催化剂的活性和稳定性. 本文综合评述了MOF衍生材料在催化反应中的限域效应, 并介绍了MOF衍生碳基材料在氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO2RR)电催化方面的最新进展, 揭示了MOF碳基材料在电催化反应中的构效关系. 最后, 讨论了MOF衍生的碳基材料在ORR和CO2RR电催化中的挑战和机遇, 以及未来可能的解决方案.  相似文献   

8.
碳中和是实现绿色可持续发展重要途径之一,以半导体光催化CO2还原.反应(CO2RR)为核心的人工光合成技术极具发展前景.石墨相氮化碳(g-C3N4)作为一种二维层状光催化剂,化学性质稳定,且满足CO2RR的热力学要求,但传统的g-C3N4光催化活性和选择性较低,这主要归因于高的电荷复合几率和低的光电子利用效率.采用二维碳化钛(Ti3C2Tx)等碳基助催化剂作为电子受体,促进光生载流子的快速分离与转移,成为提高g-C3N4光催化CO2RR效率的有效手段.然而,g-C3N4光催化剂与Ti3C2Tx助催化剂多数以2D/2D构型界面耦合,受限于二者界面弱的范德华相互作用、高的界面静电势垒和缓慢的界面电荷转...  相似文献   

9.
电催化CO2减排技术利用电能将过量的CO2转化为有附加值的化学品,是解决能源危机、实现碳中和的有效途径之一.电催化CO2还原反应(CO2RR)中的多碳产物(C2),如乙烯和乙醇,因其比C1产物具有更高的能量密度和更广泛的应用而受到较大关注.目前为止,Cu基催化剂被认为是获得C2产物的独特材料.研究者在提高Cu基催化剂C2产物的活性和选择性方面做了大量的工作,如催化剂形貌工程、活性位点设计和中间吸附性能调控等.许多理论和实验研究已经证明,Cu基催化剂上的C-C偶联过程是C2产物生成的速率决定步骤.优化C-C偶联过程的能垒是提高C2产物活性和选择性的重要而直接的策略.CO2RR在Cu上是由CO2还原吸附CO(*CO)并二聚生成C2产物引起的.C-C偶联过程与*CO的吸附性能密切相关.众所周知,CO是一种典型的极性分子,因此其在催化剂表面的吸附性能可能会受到活性位点周围的局部电场的影响.构建合适的局部电场是调节CO吸附性能和C-C偶联过程的潜在手段之一.前期工作(Nature,2016,537,382-386)证明了高曲率金纳米针可以在尖端产生高的局部电场.高局域电场诱导K+聚集,使活性位点周围CO2浓度升高,大大促进了Au纳米针上的CO生成.基于Au纳米针的局域电场促进了CO2RR的CO生成.本文利用Cu纳米针促进并优化C-C偶联反应来提高C2产物活性和选择性.结果表明,局部电场可以促进C-C偶联过程,进而增强CO2电还原生成C2产物.有限元模拟结果表明,高曲率铜纳米针处存在较强的局部电场;密度泛函理论计算结果表明,强电场能促进C-C耦合过程.在此基础上,制备了一系列不同曲率的Cu催化剂,其中,Cu纳米针(CuNNs)的曲率最高,Cu纳米棒(CuNRs)和Cu纳米颗粒(CuNPs)曲率次之.实验测得CuNNs上吸附的K+浓度最高,证明了纳米针上的局部电场最强.同时,CO吸附传感器测试表明,CuNNs对CO的吸附能力最强,原位傅里叶变换红外光谱显示,CuNNs的*COCO和*CO信号最强.由此可见,高曲率铜纳米针可以诱导高局部电场,从而促进C-C耦合过程.催化性能测试结果表明,在低电位(-0.6 V vs.RHE)下,Cu NNs对CO2RR的生成C2产物的法拉第效率值为44%,约为Cu NPs的2.2倍.综上,本文为CO2RR过程中提高多碳产物提供了新的思路.  相似文献   

10.
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。  相似文献   

11.
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  相似文献   

12.
杂原子掺杂可以调节电子结构以调整中间体吸附并优化反应路径,是设计高效CO2还原反应(CO2RR)催化剂的有应用前景的方法.B原子是常用的掺杂剂,引入B原子可以有效打破*COOH和OCHO*中间体的吉布斯自由能线性关系,并且可以通过与CO2中O原子结合来增强CO2吸附能力.B掺杂碳材料、单金属和金属氧化物的研究结果表明, B原子掺杂催化剂的CO2RR活性和/或选择性有明显提高,然而多数报道的单个活性位点的B掺杂催化剂仅表现出在相对狭窄的电位范围内的CO2RR高性能,设计制备CO2RR的宽电位高选择性催化剂仍是巨大挑战.研究表明,合金化是提供多种类的活性位点相互协调和增强催化剂固有活性,进而改善CO2RR性能并调节产物分布的可行策略.引入B原子到合金中以调节电子结构,最终优化关键中间体吸附的活性位点,对于寻找具有宽电位窗口的先进催化剂具有重要意义.本文提出了一种通过B掺杂调节CuIn合金电子结构以实现宽电位高选择性的...  相似文献   

13.
全球的动力来源主要依靠化石能源,然而无节制地开采引起了一系列的能源危机和环境问题,例如,能源枯竭、气温逐年升高、气候恶化和海洋酸化等,这已经威胁了人类的可持续发展,因此寻找可再生能源和减缓二氧化碳的排放成为目前的关键问题,反应条件相对温和的电催化二氧化碳还原反应(CO2RR)可将CO2转化为具有工业价值的产品,例如C1、C2和C2+,这是解决“碳中和”的一种有效措施。电催化CO2RR是一个复杂的多个电子/质子转移过程,反应机理相对复杂,涉及很多反应中间体,影响产物的选择性,CO2RR的大规模应用需要开发低成本和高效的电催化剂。具有大比表面积、100%的原子利用率、不饱和配位、相对均匀的活性位点的原子分散的金属和氮共掺杂碳(M-N-C)材料是一种很有前途的催化剂。M-N-C材料具有可调变性,通过调节中心金属离子或中心金属离子的配位环境,中心金属离子的电子性质和原子结构将会发生变化,这为设计具有高效催化CO2性能的催化剂提供了新的途径。因此,探讨在原子水平上调控M-N-C材料的电子...  相似文献   

14.
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.  相似文献   

15.
大气中CO2浓度不断上升导致大量的环境问题,如冰川融化、温室效应、极端天气等,利用电化学方法将CO2经还原反应(CO2RR)转化为有价值的燃料或化学品是解决该问题的可行策略.由于CO2具有稳定的化学键(C=O,806 kJ mol-1),需设计具有优异活性和高选择性的催化剂.近年研究结果表明,过渡金属锚定在N掺杂碳载体上而制得的催化剂(M-N-C)具有较高的原子利用率、独特的活性金属中心电子结构以及存储量丰富,因而被认为是CO2还原为CO的理想电催化剂.目前已经提出了多种方法来制备M-N-C催化剂,包括原子层沉积、基于金属-有机骨架的离子交换、基于载体修饰策略的吸附固化和受限热解.然而,这些方法存在制备过程繁琐或难以大规模生产的问题.同时,采用高温热解制备的M-N-C催化剂,金属活性位点易被其致密的结构包裹,难以完全暴露出来.但有效的活性位点对M-N-C的催化性能起着至关重要的作用,因此有必要研制一种简便、高效的方法来抑制金属原子聚集.超薄二维碳骨架已被证...  相似文献   

16.
光催化二氧化碳还原反应(光催化CO2RR)是将惰性CO2转化为高价值化学品的最具前景的策略之一。光催化CO2RR的成功取决于高效催化剂的使用,尽管目前已取得相当的进展,但光催化过程仍面临着光电效应弱和光生载流子易复合等问题,严重制约了CO2还原的效率。稀土离子具有独特的f电子结构和尤其丰富的电子能级,可作为光生电子的“储存器”并兼具抑制光生载流子复合的功能,因此电子能更有效地用于CO2RR。镧系金属离子的强亲氧性和高配位需求,使其易于掺杂进其他氧化物半导体的晶格中,不仅能够稳定半导体复合物的晶相,而且能够有效地调控氧空位的浓度,从而实现半导体光催化剂性能调控和优化。此外,镧系金属亦能以原子级分散方式吸附在半导体表面或实现体相掺杂,直接作为活性位点提升光生电子的传递与利用。本文总结和探讨了稀土纳米材料在光催化CO2RR反应中的不同作用形式,从包括单(纯)稀土半导体材料、负载助催化剂的稀土半导体材料、掺杂稀土半导体材料和稀土半导体-其他半导体的复合材料等四方面...  相似文献   

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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...  相似文献   

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针对Ni单原子催化剂表面的CO2电还原反应(CO2RR), 提出了以Ni为活性位点的“单中心”机理以及同时借助Ni位点还原和碳氮锚定位水解的“双功能”机理. 依据稳态极化的实验结果, 开展了CO2RR的动力学解析与模型参数的敏感性分析; 借助暂态模型方程, 分别获取可表达CO2RR线性与非线性频响特征的电化学阻抗谱(EIS)与总谐波失真(THD)谱. 研究结果表明, CO2的溶解分压对CO2RR活性影响最显著. 若CO2RR遵循“单中心”机理, Ni位点COOHads的形成为速率控制步骤; 但若为“双功能”机理, 碳氮锚定位的水解与Ni位点的CO2,ads还原同为速率控制步骤. EIS理论上可用于区分CO2RR的“单中心”机理与“双功能”机理; 与之相比, THD谱在CO2RR的机理识别中并无优势.  相似文献   

19.
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...  相似文献   

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在以H2O为质子源的光催化二氧化碳还原反应(CO2RR)过程中,光解H2O产氢气(H2)被认为是一个竞争反应.因此,光催化CO2RR过程需要抑制H2的产生,以提高碳氢产物的选择性和产率.以CO2和H2为反应物的逆水气变换反应(RWGS)是常见的CO2加氢反应,在较高的温度和催化剂作用下生成CO和H2O.目前,光催化CO2RR研究主要聚焦于产物的选择性,而有关光解H2O产生的还原性气体H2在光热效应的促进下成为CO2RR中新的质子源研究较少.光热催化是一种新的高效催化反应方式,在反应过程中需要光照和加热.光照能够促进半导体光生载流子的激发,热效应则能降低反应物分子的活化势垒,并能够促进中间产物的表面迁移以及生成物的脱附.利用光热催化热力学和动力学上的有利条件,为以H2  相似文献   

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