載鉑石墨烯協(xié)同TiO2納米管光電催化還原CO2的機理研究.pdf

1、利用太陽能光電催化還原CO2制取燃料和高價值化工品，對緩解化石燃料短缺和溫室效應具有重要意義。本文在以載鉑石墨烯（Pt-RGO）為電陰極，以載鉑TiO2納米管（Pt-TNT）為光陽極的新型光電催化還原CO2體系中，實現(xiàn)了光催化與電催化還原CO2的協(xié)同增效；揭示了陽極光電壓補償陰極CO2還原電位以降低系統(tǒng)能耗的機理；利用三維泡沫銅（CF）材料作為CO2還原電極和Pt-RGO催化劑擔載體，顯著提高了CO2還原碳原子轉化率。
　　在Pt

2、-RGO電陰極與Pt-TNT光陽極組成的光電催化體系中，通過利用陽極光電壓補償陰極CO2還原電位，在較低能耗下實現(xiàn)了CO2向碳氫燃料的高效轉化。石墨烯（RGO）具有優(yōu)異的比表面積和電子傳輸速度，能為CO2及反應中間產(chǎn)物提供大量的吸附位點，且有利于CO2、H+及e-的快速反應。CO2在Pt-RGO催化劑上還原碳原子轉化率顯著高于載鉑碳納米管和載鉑活性炭催化劑上的碳原子轉化率。Pt-TNT光陽極在 CO2還原中發(fā)揮雙重作用：（1）陽極H2O

3、分解為Pt-RGO陰極上的CO2還原提供H+和e-；（2）陽極光電壓補償陰極Pt-RGO陰極上CO2還原電位使陰極電位負移。陽極光電壓對陰極電位的補償使得使得同等外部能量投入下，陰極CO2還原電位更負，系統(tǒng)能耗降低，實現(xiàn)了光電還原 CO2過程中光催化和電催化的協(xié)同增效。通過對Pt-TNT載鉑量、Pt-RGO還原時間、系統(tǒng)施加電位、陰極電解液pH值及泡沫鎳載體孔徑的調(diào)控優(yōu)化，CO2還原碳原子轉化率提高到1500 nmol/(h cm2)。

4、
　　首次以三維泡沫銅（CF）作為 Pt-RGO催化劑的擔載體制備了 Pt-RGO/CF復合電極用于 CO2還原。泡沫銅在 CO2還原中發(fā)揮雙重作用：（1）泡沫銅電陰極析氫電位較高且對CO2向碳氫燃料的轉化具有較高選擇性，顯著抑制了析氫競爭反應的發(fā)生，促進了CO2的還原；（2）泡沫銅基底比表面積大，導電性好，孔隙結構優(yōu)，是Pt-RGO催化劑優(yōu)異的擔載體。在Pt-RGO/CF復合電極上，CO2還原的碳原子轉化率達到單獨使用泡沫銅電極

5、與單獨使用Pt-RGO催化劑之和的1.9倍，實現(xiàn)了Pt-RGO催化劑和泡沫銅基底對CO2還原的協(xié)同增效。CO2還原的碳原子轉化率隨系統(tǒng)施加偏壓增大、Pt-RGO載Pt量增大及泡沫銅基底上Pt-RGO負載量增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當系統(tǒng)施加電位為2V，Pt-RGO催化劑載鉑量為4 wt％，泡沫銅基底上Pt-RGO擔載量為6mg/cm2時，CO2還原碳原子轉化率提高到4340 nmol/(h cm2)。
　　將載鉑石墨烯氣凝膠（

6、Pt-GA）直接沉積于三維泡沫銅（CF）基底上制備了無粘結劑的Pt-GA-CF復合電極用于CO2還原。Pt-GA催化劑在泡沫銅基底及其孔隙之間均勻負載，使得整個三維導電電極的網(wǎng)絡孔隙分布及電子傳輸路徑更為發(fā)達，電子的傳遞速度顯著提高，電荷轉移電阻顯著降低。無粘結劑電極降低了Pt-GA催化劑與泡沫銅基底之間的接觸電阻，使得電極反應的歐姆電阻降低，電極電性能得到進一步的提升。多孔氣凝膠結構的Pt-GA催化劑有效阻止了石墨烯材料的自團聚，維持