CO2电化学还原非贵金属催化材料的设计合成与性能研究

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在全球能源供应中,石油等化石燃料仍是主体。而近年大气中CO2浓度的快速增加是社会飞速发展引发的后果,主要源于化石燃料的大量使用。CO2的过量排放造成了全球变暖、环境污染等环境问题。目前,二氧化碳的资源化利用技术包括热化学还原、光化学还原、光电催化还原、电化学还原等方法。所以利用我们现有的能源,如电能,把CO2还原为利用率更高的化学品(如一氧化碳、甲酸、甲醇、乙醇等)就可以很好的解决这个问题。电化学还原技术由于条件反应温和、使用清洁能源、催化效率高、电解条件可控等优势而受到广泛关注。其问题在于产物选择性低、过电位较高、催化剂活性低且制备困难、价格昂贵,这些都是此技术的瓶颈。因此我们的改善策略就是用非贵金属(如镍、铁、锰、铋)设计制备催化材料。本课题致力于寻求非贵金属催化材料的设计合成与性能研究。本文的研究内容分为以下两个部分:(1)采用超声辅助法和煅烧法制备了碳基镍单原子,探讨了不同担载量、不同煅烧温度的影响。采用球差电镜、扫描电镜、XRD、XPS、ICP、BET、电化学工作站、气相色谱等手段对制备的镍单原子催化剂进行了结构表征与性能测试;相比于不掺杂氮元素或不负载镍的催化剂,碳基镍单原子的一氧化碳选择性有很大提高。(2)采用水热法合成Bi-MOF材料,探讨不同合成温度、不同配体、不同电解条件的影响。采用球差电镜、扫描电镜、XRD、XPS、CO2物理吸附、BET、原位EXAFS、密度泛函理论计算、电化学工作站、气相色谱、核磁等手段对制备的Bi-MOF催化剂进行了结构表征与性能测试,研究了可能的反应机理与影响因素,初步得出Bi-MOF对于二氧化碳电还原反应维持较好稳定性的内在机理。这为通过非贵金属催化材料的合成与性能研究以改善CO2电催化还原产物的选择性有一些参考意义。
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