CO2还原反应二维电催化剂研究进展

二氧化碳(CO₂)电化学还原为高附加值化学品在解决CO₂过量排放上具有极好的应用前景,但这需要开发先进的电催化剂来降低CO₂活化能并提高还原产物的选择性。受益于独特的几何结构,二维材料在电催化CO₂还原反应中得到了广泛研究。本综述将系统介绍应用于CO₂还原反应的二维电催化剂上的最新进展。我们也将揭示特征结构与电催化性能之间的构效关系。我们希望本文可以为开发CO₂还原电催化剂提供有益的指导。     

CO2的光电催化还原

CO2为温室气体的主要成分,同时也是潜在的碳能源。本文主要介绍了近年来利用光催化、电催化以及光电催化3种不同催化方法还原CO2的研究现状。文章综述了催化剂材料和催化反应体系对CO2还原效果的影响。从催化效率,光、电转化效率,选择性和能耗等不同角度进行了比较和评价。细致地讨论分析了各种催化还原方法的反应机理,并对催化还原CO2研究的发展方向和应用前景进行了展望。     

光催化苄基邻卤芳醚与CO2的连续去芳构化/羧化反应合成螺环羧酸(英文)

自1900年首次发现螺环化合物以来,由于它在药物分子、手性配体、激光染料等领域的重要作用,越来越多的螺环化合物被发现和研究.目前已研发出了几种典型的反应来合成螺环化合物,如分子间的环加成或偶联反应及双官能团化合物分子内的偶联反应.但这些方法仍存在选择性难以控制、螺环中官能团耐受性差、条件苛刻等不足.因此,有必要发展合成含各类官能团的螺环的方法.近年来,芳基化合物的分子内去芳构化已经成为合成螺环骨架的有效策略,尤其是通过光催化去芳构化合成螺环.CO₂作为C1合成子具有丰富、低成本、可持续及无毒等优势,若将CO₂作为羧酸源键联在螺环骨架上,将有可能构建具有潜在生物活性的螺环羧酸衍生物.基于本课题组对光催化CO₂转化利用反应的持续研究,本文设计开发了一种合成螺环羧酸化合物的便捷方法,即光催化苄基邻卤芳醚与CO₂的连续去芳构化/羧化反应.根据条件筛选实验结果,最终选择1,2,3,5-四(咔唑-9-基)-4,6-二氰基苯(4Cz IPN)作为光敏剂, N,N-二异丙基乙基胺(DIPEA)为还原剂,叔丁醇钠作为...     

CO2吸附活化的研究进展

本文分析讨论了CO₂ 在金属催化剂和金属氧化物催化剂上吸附活化的机理及活化吸附态的反应性能, 提出了CO₂ 作为一种温和氧化剂在化工生产中加以综合利用的有效途径。     

SrTiO3的合成及其光催化还原CO2的性能

本文采用水热合成法制备钙钛矿型半导体光催化剂钛酸锶,紫外光激发下,在甲醇溶液中还原CO2制得甲酸甲酯,并通过负载Ag降低了电子与空穴的复合几率,有效地提高了光催化活性。同时,发现了Ag的负载量、负载方法以及表面活性剂对光催化活性的影响规律。借助XRD分析了催化剂的晶型并计算出颗粒的粒径,SEM、TEM、HRTEM观测了催化剂颗粒的形貌,UV-vis吸收光谱检测了其光激发特性。最终,获得了一步水热法制备Ag含量为5wt%的Ag/SrTiO3具有较高催化活性的优化实验结果。     

离子液体催化CO2与环氧化物合成环状碳酸酯

综述了离子液体催化CO2与环氧化物的环加成反应制备环状碳酸酯的研究进展。目前报道的离子液体主要包括咪唑盐、季铵盐、季鏻盐等。对比了传统离子液体与功能化离子液体对CO2环加成反应的催化活性、选择性以及催化作用机制。与传统的离子液体相比,功能化离子液体的羟基或羧基等官能团与卤素离子等Lewis碱之间存在协同效应,使得其对CO2与环氧化物的环加成反应具有更好的催化活性;将功能化离子液体固载于无机材料(SiO2,SBA-15,MCM-41等)或聚合物所得的多相催化剂不仅保持了官能团与阴离子之间的协同效应,而且载体与离子液体活性组分之间也显示出协同效应,使得该类催化剂具有很好的催化活性,稳定性好,可以多次重复使用,具有较好的工业化前景,是值得深入研发的一类催化材料。此外,离子液体对于手性环状碳酸酯的合成也具有较好的催化活性和立体选择性。     

室温下电化学活化CO2与环氧化合物反应合成环碳酸酯

室温下用铝为牺牲阳极, 以四丁基溴化铵/N,N-二甲基甲酰胺作电解质溶液, 在无隔膜电解池中电化学活化CO₂, 与环氧化合物反应, 合成了环状碳酸酯. 考察了不同电极材料、导电盐、CO₂的压力以及溶剂等因素对电合成结果的影响, 结果表明以Pt为阴极, 在0.05 mol•L^－1 Bu₄NBr/DMF电解质溶液中和4 MPa CO₂下, 环状碳酸酯产率可高达65%～98%.     

CO2在纳米SiO2/TiO2悬浮体系中的光催化还原

用水热法合成了氧化硅改性的具有高比表面积、高催化活性的锐钛型二氧化钛, 并在其悬浮体系中将CO₂光催化还原合成甲醇. 采用XRD, TEM, 物理吸附, UV-Vis吸收光谱和FTIR等表征手段对催化剂结构特征进行了研究. 结果表明: 添加氧化硅后, 氧化硅和二氧化钛之间形成Si—O—Ti键, 抑制了TiO₂晶粒生长, 提高了锐钛型TiO₂的比表面积, 且随着含硅量的增加, SiO₂/TiO₂的UV吸收逐步蓝移, 禁带宽度增加. 还原反应结果表明: SiO₂/TiO₂具有光催化还原活性, 且随着含硅量的增加先增加后减小, 当SiO₂质量分数为3.5%时, SiO₂/TiO₂复合催化剂反应活性最强, 5 h内甲醇产量可达到21.0 mg/L, 并有少量甲醛生成.     

CO2在纳米SiO2/TiO2悬浮体系中的光催化还原

用水热法合成了氧化硅改性的具有高比表面积、高催化活性的锐钛型二氧化钛, 并在其悬浮体系中将CO₂光催化还原合成甲醇. 采用XRD, TEM, 物理吸附, UV-Vis吸收光谱和FTIR等表征手段对催化剂结构特征进行了研究. 结果表明: 添加氧化硅后, 氧化硅和二氧化钛之间形成Si—O—Ti键, 抑制了TiO₂晶粒生长, 提高了锐钛型TiO₂的比表面积, 且随着含硅量的增加, SiO₂/TiO₂的UV吸收逐步蓝移, 禁带宽度增加. 还原反应结果表明: SiO₂/TiO₂具有光催化还原活性, 且随着含硅量的增加先增加后减小, 当SiO₂质量分数为3.5%时, SiO₂/TiO₂复合催化剂反应活性最强, 5 h内甲醇产量可达到21.0 mg/L, 并有少量甲醛生成.     

TiO2负载型催化剂及光催化还原CO2反应的表面光电压谱研究

The study of mechanism of modified TiO₂ photocatalysts for photoreduction of CO₂ with surface photovoltage spectrum(SPS) was reported for the first time．The results showed that a new surface photovoltaic response band appears in the SPS curve of Pd/TiO₂ or Pd/RuO₂/TiO₂ in near IR region,moreover,the stronger SPS response intensity in near IR is,the higher the catalytic activities of photoreduction of CO₂．The surface state plays a role in the process of photocatalysis．     

温和条件下CO2为原料电合成碳酸二甲酯

常温常压下, 研究了以CO₂和甲醇为原料电合成碳酸二甲酯的反应. 在四乙基溴化铵为支持电解质的乙腈溶液中, 通过恒电流电解得到了唯一的产物碳酸二甲酯. 为了优化电解条件, 分别考察了工作电极、电流密度、支持电解质、通电量以及电解前后加入甲醇顺序的不同等因素对该反应的影响. 以铜为工作电极, 石墨为对电极, 在17 mA•cm^－2的电流密度下恒电流电解, 当通过2 F•mol^－1的电量后, 碳酸二甲酯的产率可达74%, 大大高于文献报道值.     

Co-Pd催化剂上CH4/CO2合成乙酸反应中CO2与表面金属物种作用的密度泛函理论研究

采用广义梯度近似(GGA)的密度泛函理论(DFT)(DFT-GGA)对Co-Pd催化剂上CH4/CO2两步法合成乙酸反应中CO2与金属表面物种M—H(M=Co,Pd)和Pd—CH3的插入反应机理进行了研究, 给出了CO2与M—H和Pd—CH3的插入反应机理. 计算结果表明, 在CO2与M—H和Pd—CH3相互作用的4个反应路径中, 反应以CO2与Co—H作用生成产物HCOO—Co为动力学优先路径, 但由于HCOO以双齿形式与金属Co结合, 其结合能较大, 导致HCOO在金属表面不易脱附, 故较难形成甲酸; 反应生成H3CCOO—Pd产物路径次之, H3CCOO和Pd之间结合能较小, H3CCOO容易脱附形成主产物乙酸; 生成H3COOC—Pd反应为动力学最不利路径, 故甲酸甲酯为动力学禁阻产物; 计算结果与实验结果吻合得很好.     

贵金属负载TiO2对光催化还原CO2选择性的影响

利用光沉积方法在TiO₂表面分别负载1%(质量分数) Pt、Pd、Au和Ag助催化剂.用TEM、XRD、UV-vis等技术对催化剂进行了表征,并利用连续瞬态电流时间响应和线性扫描伏安法等电化学方法,对贵金属负载的TiO₂光催化剂在光照条件下的电流响应强度及电催化析氢电位等特性加以测试.分析了贵金属助催化剂对光催化还原CO₂性能的差异.结果表明,负载贵金属助催化剂能显著加速光生电子空穴的分离,降低复合率;另外,助催化剂对还原CO₂选择性的顺序为Ag>Au>Pd>Pt.贵金属助催化剂还原CO₂的加氢选择性和析氢过电位存在相关性,即越不利于析氢过程的助催化剂,其催化CO₂加氢还原产物的选择性越高.     

Ni-Co/TiO2增强CO2加氢反应性能的研究

通过浸渍-沉淀法合成负载型双金属催化剂Ni-Co/TiO₂,采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附-脱附(BET)对其晶型、形貌、组成、表面元素价态和比表面积进行表征.在CO₂加氢反应中,Ni-Co/Ti O₂催化剂在3 h反应时间内生成84.4μmol CH₄,相较于Ni/Ti O₂催化剂,其CH₄产量提高了46.3%.二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)和氢气程序升温还原(H₂-TPR)测试结果证实,Co的引入能增强Ni-Co/Ti O₂对CO₂的吸附和活化,从而促进其加氢反应效率的提高.经过5次循环活性测试,Ni/Ti O₂的活性降低了20.5%,而Ni-Co/Ti O₂的活性仅仅降低了10.9%,这表明Co的引...     

复合催化剂上CO2加氢合成C2烃类

介绍了由CO₂+H₂合成C2⁺烃的几种复合催化剂体系的研究进展，比较和评价了复合催化剂体系的活性和选择性及对C2⁺烃类生成的影响。着重于复合催化剂体系对C4⁺烃的生成及产物分布的影响并简述反应机理。     

非胺类CO2吸收剂的研究进展

针对CO₂所带来的全球气候变化问题,本文综述了可用于捕集CO₂的非胺类吸收剂类型,认为氨基酸盐、氨基酸-碳酸钾体系、离子液体、生物型吸收剂、钙基吸收剂分别具有较高的CO₂循环吸收负荷、低毒性、热稳定性好、较优的生物相容性、钙源易获取的优势,可以弥补胺类吸收剂在吸收-解吸CO₂时腐蚀性强、再生能耗高、对环境产生二次污染等方面的不足。氨基酸盐、氨基酸-碳酸钾体系可应用于具有一定规模的CO₂捕集工业中;离子液体可应用于精准、绿色环保去除CO₂工业中;生物型吸收剂可用于规模小、CO₂浓度低的工业中;钙基吸收剂可运用于CO₂浓度高的工业中。上述吸收剂皆具有一定的工业前景。     

RuNi双活性组分负载型TiO2催化CO2甲烷化反应研究

将液体吸附原位红外表征系统与红外光谱仪连接,是实现原位红外反应过程的重要技术环节. 原位红外表征过程中涉及的吸附液存储于液体吸附原位红外表征系统内,对一些沸点较高的液体可以通过加热套控温操作完成吸附,并在被测物质吸附反应过程中监测其结构变化. 系统可设置多个液体吸附池,实现在同一试验过程中进行多种液体切换吸附,满足被测物质吸附不同液体蒸汽的需求,还可以使被测物质吸附液体蒸汽,对固体表面进行惰性气体前处理或氢气还原处理. 最终通过原位红外监测出反应产物,实现液体吸附原位红外表征.     

乙二醇溶剂热合成的CeO2的可逆氧化还原性及CO2捕获性能

利用乙二醇的还原性,采用乙二醇溶剂热法制备了表面具有丰富氧空穴的CeO₂-GST纳米晶,对其进行了X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱、原位H₂还原-O₂氧化循环和CO₂原位红外漫反射表征,并研究了其可逆氧化还原性及CO₂捕获性能. 结果表明,与CeO₂-nanorod和柠檬酸溶胶法合成的CeO₂-CA样品相比,CeO₂-GST纳米晶具有最好的可逆氧化还原性能和循环稳定性,同时在50 ℃下具有最好的CO₂吸附性能（149 μmol/g）. 利用原位红外漫反射光谱研究了CO₂在还原CeO₂表面的吸附情况,发现CO₂主要以双齿碳酸盐和桥连碳酸盐两种形式吸附在CeO₂表面,其中桥连碳酸盐物种不稳定,He吹扫可脱附. 此外,CO₂在CeO₂-nanorod上还会生成稳定的甲酸盐和单齿碳酸盐物种.     

超临界CO2与叔丁醇二元系统高压相平衡研究

采用固定体积可视观察法测量装置测定了CO2与叔丁醇在323.2~353.2 K温度范围内于不同压力下的平衡数据, 并运用Peng-Robinson状态方程(PR)和Van der Waals-2混合规则建立了相平衡模型, 通过非线性最小二乘法优化计算得到了不同温度下的模型参数. 并得到了模型参数与温度的表达式, 分别为k12=-199.2066+1.8136T-0.00548T2+5.50×10-6T3; n12=-384.5626+3.4960T-0.01056T2+1.06×10-5T3.获得了此体系在不同组成下的临界压力、临界温度、临界摩尔体积、临界压缩因子和临界密度等临界性质. 研究结果表明, CO2与叔丁醇二元体系的临界温度、临界压力和临界压缩因子均随着临界CO2组成的增加而降低.