金属基催化材料的设计及其对电催化CO2还原的研究
工业革命后化石燃料的大量使用导致二氧化碳（CO2）排放过多，造成严重的环境污染问题，为此一些国家已承诺建立零排放（零碳）经济，以缓解环境污染及气候变化。在热催化、电催化、光催化等众多CO2资源化利用的方法中，电催化CO2还原（ECR）是实现零碳排放的一种可行方式。一方面，ECR可结合可再生能源电力，更加经济环保；另一方面，ECR可以在温和条件下将CO2转化为有价值的化学原料，如乙烯（C2H4）、甲酸（HCOOH）等。但是目前ECR催化剂仍面临选择性低、稳定性差、产率低等问题，为了解决这些问题，研究人员致力于研发法拉第效率（FE）高、过电位低的催化剂。本论文主要从具有经济价值的C2H4出发，对CuBi基催化剂进行改性，实现了碳一（C1）到碳二（C2）产物的转化，具体研究内容如下： （1）通过简单的水热法制备了原子级分散的Bi掺杂缺陷氧化铜（CuO）催化剂（Bi-CuO(Vo)_0.5%），引入的Bi单原子和氧空位共同促进Bi-CuO(Vo)_0.5%催化剂高效产C2H4。与单一组分CuO相比，XRD、拉曼、电镜测试共同证明了Bi单原子掺杂CuO的生成，XPS证明了掺杂Bi以后氧空位的增加。通过电化学测试，发现在H型电解池中，-1.05Vvs.RHE的低电位下，Bi-CuO(Vo)_0.5%产C2H4的FE最高为48.2±2.1%，约为纯CuO的2.0倍，最大C2H4偏电流密度值为-9.1mAcm-2，优于大多商业催化剂（如商业CuO、Cu、Cu2O等）的性能。在流动型电解池中，使用1MKOH电解液，Bi-CuO(Vo)_0.5%产C2H4的FE高达60.2±0.4%。密度泛函理论（DFT）计算表明引入的Bi单原子和氧空位可以共同降低*CO中间体的二聚能垒，进而提高碳碳耦合产C2H4的性能。 （2）使用高浓度硼氢化钠（NaBH4）溶液为还原剂，通过一步还原法制备Cu97Bi3气凝胶材料。XRD、XPS、紫外可见光谱等表征证明了Cu97Bi3合金的生成，SEM测试表明Cu97Bi3为气凝胶结构。通过调控金属Cu及Bi的前驱体比例，可以实现主要产物由C1（HCOOH）向C2（C2H4）的转变。对Cu97Bi3进行长达12.0h的电解后，C2H4的FE保持不变。CO电还原实验证明Cu97Bi3比Cu100更利于吸附CO。与Cu100相比，气凝胶Cu97Bi3的活性增强可归因于两方面：在结构上，海绵状三维结构的Cu97Bi3气凝胶具有大比表面积和丰富的孔隙通道，有利于高效传质；在协同效应方面，双金属Cu-Bi合金可以大大提高催化剂的ECR活性，为非贵金属CuBi材料高效产C2产物提供了一种有效方法。
铜铋双金属催化剂;电催化CO2还原;掺杂改性;乙烯;气凝胶
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘清雅
2022
中文
O643.36
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）