二氧化碳電化學還原中銅基催化劑的設(shè)計和優(yōu)化.pdf

1、化石燃料的大規(guī)模應(yīng)用造成了CO2的過量排放。還原CO2反應(yīng)可以實現(xiàn)其資源化利用，而電化學還原方法可使該過程更加環(huán)保、高效，且操作簡便，因而受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。作為迄今為止唯一被實驗證實能高效催化CO2還原為烴的金屬，多晶Cu迄今依然面臨著易失活、選擇性差和過電勢大等問題，阻礙了CO2資源化利用的工業(yè)化進程。本論文針對水相電化學CO2還原反應(yīng)中Cu催化劑性能不足的問題，從強化Cu在電催化過程中的穩(wěn)定性和選擇性出發(fā)，通過電極材料設(shè)計

2、、催化機理解析等工作，增強水相電化學CO2還原反應(yīng)的持久性與選擇性，并提高體系的反應(yīng)效率。本論文的主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下:
　　1.構(gòu)建了一套電化學還原CO2反應(yīng)體系裝置，并以多晶Cu箔為經(jīng)典工作電極進行催化電化學CO2還原實驗，將CO2轉(zhuǎn)化為CH4、C2H4、HCOOH和競爭反應(yīng)產(chǎn)物H2。該系統(tǒng)的催化效果與文獻中報道相當，證明了該裝置的合理性。
　　2.采用恒電流、恒電位、脈沖電位技術(shù)分別對多晶Cu箔進行表面陽極氧化處理，

3、制得了不同形貌的銅氧化物納米材料:納米針、納米線和納米花。將此三者材料分別催化還原CO2，可獲得優(yōu)勢生產(chǎn)CH4或C2H4的效果。其對烴類的選擇性差異主要歸因于納米材料表面形貌的差異。此外，3D納米花的催化活性高于2D的納米針和納米線，這主要歸功于納米花的3D形貌具有更大的比表面積，為CO2還原提供了更多的活性位點。
　　3.采用脈沖電位法進行電沉積，制得了CuCl納米片，發(fā)現(xiàn)多種貴金屬和非貴金屬的微量添加均能促進納米片的形成。該材

4、料在還原CO2時可將乙烯抑制在1％之下，同時促進CH4的生成，表現(xiàn)出很好的CH4選擇性。實驗結(jié)果和理論計算表明，催化選擇性的提升得益于第二金屬加入后出現(xiàn)的異質(zhì)結(jié)。這為設(shè)計高選擇性的CO2還原催化劑提供了新的思路。
　　4.將脈沖技術(shù)獲得的銅氧化物納米花還原可得到Cu納米花，它可持續(xù)在9小時內(nèi)高效還原CO2，并抑制析氫競爭反應(yīng)，其穩(wěn)定性顯著優(yōu)于多晶Cu箔。此外，基于在Cu電極上直接觀測到的C沉積現(xiàn)象，通過對連續(xù)催化實驗中的烴類產(chǎn)物變