金属有机框架衍生镍纳米颗粒在宽电位窗口内高效电催化二氧化碳还原

电催化二氧化碳(CO_(2))还原被认为是将CO_(2)转化为可再生能源产品的一种有前途的方法。开发性能优异的电催化剂高效完成这一重要反应是关键。镍基催化剂广泛应用于电催化CO_(2)还原研究,但是,镍纳米颗粒经常表现较差的催化性能。在本文中,通过在氮气气氛中高温热解镍基金属有机骨架(MOF)、尿素和炭黑混合物,获得了镍纳米颗粒负载于多孔碳氮中的催化材料(NiNPs-NC)。有趣的是,NiNPs-NC在H型和流动相电池中都表现出优异的CO_(2)电还原性能。在H型电解池和-0.67–-1.07 V vs.RHE(可逆氢电极)电位窗口内,NiNPs-NC催化CO_(2)还原为CO的法拉第效率大于90%,其中,在-0.87 V vs.RHE时,CO的法拉第效率约为100%。在流动相电解池和-0.50–-0.70 V vs.RHE电位窗口内,NiNPs-NC催化CO_(2)还原为CO的选择性大于95%。电化学阻抗谱图和塔菲尔斜率表征显示,NiNPs-NC的高催化活性归因于其在催化过程中的快速电荷转移。本文提供了一种制备高效CO_(2)电还原催化剂的方法。

石墨烯基二氧化碳还原电催化材料研究进展

通过电化学方法来减少二氧化碳(CO_(2)),同时生产燃料和高附加值化学品,是一种克服全球变暖问题的有效策略,对于缓解能源和环境的双重压力具有重要的现实意义。由于CO_(2)稳定的分子结构,设计高选择性、高能效和低成本的电催化剂是关键。石墨烯及其衍生物因其独特且优异的物理、力学和电学性能,相对较低的成本,使其在CO_(2)电还原方面具有竞争力。此外,石墨烯基材料的表面可以通过使用不同的方法进行改性,包括掺杂、缺陷工程、构建复合结构和包覆形状。首先,本文综述了电化学CO_(2)还原的基本概念、评价标准,以及催化原理和过程。其次,简要介绍了石墨烯基催化剂的制备方法,并按照催化位点的类别,总结了石墨烯基催化剂近年来的研究进展。最后,对CO_(2)电还原技术未来发展方向进行了探讨与展望。

碳达峰碳中和政策与电催化二氧化碳还原技术

电催化二氧化碳还原为高附加值的化学产品是实现碳达峰碳中和战略目标的最重要技术之一。在本文中,我们解读了碳达峰碳中和政策,探讨了电催化二氧化碳还原的技术优势,分析了该技术的成本因素,总结了该技术的器件进展。本文为研究人员理解碳达峰碳中和政策提供了全面认识,为发展电催化二氧化碳还原技术指明了研究方向。

无铅钙钛矿纳米晶的制备及其光催化二氧化碳还原性能研究

具有优异光电性能的全无机铅卤钙钛矿是用于光催化二氧化碳还原的理想材料,但是铅的毒性和固有的不稳定性限制了其商业化应用。为此,采用反溶剂法分别制备了无铅钙钛矿材料Cs_(2)PtBr_(6)微晶和Cs_(2)PtBr_(6)纳米晶,利用SEM、TEM、XRD和紫外可见吸收光谱等方法对样品的形貌、组成和光电性能进行了表征。结果表明,将Cs_(2)PtBr_(6)微晶转化为Cs_(2)PtBr_(6)纳米晶后,样品的比表面积增大,可见光范围内的吸收性能增强,光生载流子平均寿命由Cs_(2)PtBr_(6)微晶的1.83 ns延长到Cs_(2)PtBr_(6)纳米晶的2.42 ns,并且Cs_(2)PtBr_(6)纳米晶中的平均光电流密度是Cs_(2)PtBr_(6)微晶相应值的6.4倍,Cs_(2)PtBr_(6)纳米晶的电荷转移电阻值小于Cs_(2)PtBr_(6)微晶的电荷转移电阻值,Cs_(2)PtBr_(6)纳米晶的光生载流子的分离效率和转移效率得到提高。其中,在搅拌温度为50℃时合成的Cs_(2)PtBr_(6)纳米晶具有最高的光催化活性,在反应气组成为V_(CO_(2)):V_(H_(2)):V_(N_(2))=21:63:16、总质量空速为20000 mL/(g·h)和可见光照射反应3 h的条件下,其一氧化碳的产量为74.8μmol/g,且一氧化碳选择性达到100%。以上结果可为开发高性能的光催化剂提供参考。

一维硒化亚铜的合成及其电催化二氧化碳还原性能的研究

硒化亚铜具有多重氧化态和高导电性等优点,被电催化研究者所青睐。本文采用水合肼还原法制备了硒化亚铜(Cu_(2-x)Se)纳米材料,并对其进行物理化学性质及电化学性能进行了表征。结果表明,Cu_(2-x)Se纳米催化剂相比于铜纳米颗粒,有效地提高了催化剂CO_(2)RR的性能。直径约为10 nm的硒化亚铜纳米线(Cu_(2-x)Se NWs)具有最优的电催化CO_(2)还原性能,在-1.09 V vs.RHE电势下,表现出94.2%的甲酸法拉第效率(FEHCOOH)和20 h运行稳定性。这种通过Se的引入及催化剂结构控制提高其电催化活性的策略,对于开发廉价高效的电催化剂具有重要意义。

构建高效稳定的低温反向偏置双极膜电解槽用于二氧化碳还原

二氧化碳电化学还原为高附加值的化学品和原料是一种具有应用前景的负碳技术.在过去十几年里,研究人员在碱性和中性电解质中进行了大量的二氧化碳电还原研究,并在活性、选择性和稳定性方面取得了很多进展.然而,二氧化碳与碱性电解液反应生成碳酸盐,导致碳利用率较低(远低于产业化应用要求).因此,未来二氧化碳电还原领域面临的关键挑战是如何有效提高碳利用率.为解决这一挑战,在酸性电解质中进行二氧化碳电还原成为了一个可行的方案,它可以有效避免“碳酸盐问题”的发生.而基于双极膜的二氧化碳电解槽技术,则允许阴/阳极在不同pH的电解质中运行,是提高碳利用率的有效方案之一.本文首先介绍了双极膜的运行模式、热力学过程、物质传输现象、水解离/合成过程以及极限电流密度的起源,并总结了近期在双极膜优化方面取得的进展.然后,进一步聚焦于双极膜在常用的三类高效二氧化碳电解槽(流通池电解槽、膜电极电解槽和固态电解质电解槽)中的应用,详细探讨了其研究进展及所面临的挑战,并强调了针对不同结构电解槽的优化策略.值得一提的是,基于反向偏置双极膜的电解槽设计在促进质子传输至阴极、抑制碳酸盐形成方面表现出显著优势,进而有效提高了碳利用率.然而,大的质子通量同时也促进了竞争性的析氢反应,这在一定程度上抑制了二氧化碳转化为多碳产物.为了解决这一问题,流通池电解槽中的阴极电解液可以被用作缓冲层,通过调节阴极液的组成和厚度,实现电极表面在较高的pH下进行二氧化碳电还原,同时本体电解液维持在酸性,从而促进生成的碳酸盐再生为二氧化碳.另一方面,膜电极电解槽,又称零间隙电解槽,其设计特点在于催化剂层和膜直接接触,这种结构降低了电解液引起的电压损耗,提高了电解效率.然而,这种紧密接触也导致阴极表面的化学环境受到膜的强烈影响.大量质子通过膜传输至阴极,导致催化剂处于强酸性环境中,这为开发高效且稳定的二氧化碳还原电催化剂带来了很大挑战.近期,多种策略已成功应用于设计能够在pH≤1电解质中稳定运行的二氧化碳还原催化剂,包括双金属催化剂、杂原子掺杂金属催化剂和先进分子催化剂.此外,也可以通过构建界面缓冲层来精细调节局部pH值并优化阴极表面化学环境,从而进一步提升膜电极电解槽中二氧化碳电还原的选择性.为了实现商业应用,二氧化碳电解槽需要直接生成高浓度的产品,以减少后续的分离成本.为此,固态电解质二氧化碳电解槽提供了一种有效的解决方案.通过在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间引入固态电解质,使得阴极表面形成的带负电物质(例如CH3COO-)能够顺利通过阴离子交换层并输送到固态电解质中,随后与阳极提供的质子结合,形成高纯度液体产品.最后,本文提出了双极膜二氧化碳电解槽面临的机遇和挑战,其中包括:(1)开发具有高离子选择性、高机械稳定性和低膜阻的新型双极膜;(2)开发对高附加值产品具有高本征活性和选择性的新型催化剂;(3)构筑具有高效气/液/电子传输的气体扩散电极;(4)设计低能耗和高稳定性的电解槽.综上所述,本文详细介绍了基于反向偏置双极膜的二氧化碳电解槽在研究进展以及工业应用方面的可行性,为未来开发具有高碳利用率和能量效率的二氧化碳还原技术提供了参考.

氧配位提升二氧化碳还原铁基电催化剂性能研究

采用快速焙烧结合可控诱导的策略,通过诱导铁基前驱体中的铁物种与碳载体中的氧元素生成配位键,进而达到有效提升二氧化碳还原铁基电催化剂性能的目的。X射线光电子能谱(XPS)等表征结果表明,快速焙烧结合可控诱导的策略可有效诱导Fe—O键的生成,进而有效调控铁基电催化剂的电子性能。性能测试结果表明,在氧配位修饰的铁基电催化剂的作用下,在410 mV(-0.56~-0.97 V)的宽电位范围内,一氧化碳的法拉第效率可持续保持接近100%的高水平。

电催化二氧化碳还原用铜基催化剂设计策略

随着全球经济增长,对能源需求不断攀升,进而推动了能源的开发与利用,不可避免导致CO_(2)排放量的持续上升。为有效应对这一环境挑战,电催化CO_(2)还原(CO_(2)RR)技术应运而生,并迅速成为研究热点。该技术不仅可将CO_(2)转换为燃料和化学品,而且有助于实现可再生能源储存。在众多催化剂中,铜基催化剂因其能高效将CO_(2)直接转化为高价值多碳化学品(如乙烯和乙醇)而受到关注。近年来,铜基CO_(2)RR催化剂优化设计进展显著,主要集中在提高催化活性、选择性和稳定性上。重点综述了近年来电催化CO_(2)RR用铜基催化剂的优化设计策略研究进展。从调控催化活性和选择性以及稳定性2方面,分别讨论了晶面工程、合金化处理、铜氧化态调节、催化剂表面功能化和缺陷工程等代表性调控策略的研究进展,探讨了电催化剂的核心参数(组成、微观结构、形貌、尺寸等)对催化剂性能的协同效应。最后对未来电催化CO_(2)RR技术的发展前景进行展望,并分析当前面临的挑战。

铟基三元金属硫化物催化剂在光催化二氧化碳还原领域中的研究进展

化石能源的过度使用造成CO_(2)大量排放,导致了环境问题,同时引发了能源危机.新能源技术的快速发展为缓解上述问题提供了有效途径.光催化CO_(2)转化技术因绿色环保、成本低廉、反应条件温和、操作安全可控而引起了研究者们的广泛关注.推动光催化CO_(2)转化技术发展的关键在于高效光催化剂的精准设计与合成.目前,已经发展了多种光催化剂.铟基三元金属硫化物因具有合适的能带结构、较宽的吸光范围和独特的双金属位点而成为光催化CO_(2)还原领域的研究热点之一.独特的双金属结构使其具有更丰富的活性位点,同时可以调控对关键中间体的吸附和解吸,进而提高CO_(2)反应活性,并精准调控目标产物的选择性.然而,缓慢的电子传输行为和高载流子复合效率阻碍了CO_(2)还原反应效率的提升,因此,目前距离实现光催化CO_(2)还原技术的工业化应用仍有较大的差距.为了克服上述难题,科学家们对铟基三元金属硫化物进行了大量研究,以期通过修饰改性进一步提高催化效率和选择性.然而,目前有关铟基三元金属硫化物在光催化CO_(2)还原领域应用研究进展的归纳和总结尚不充分,基于此类材料独特的性质,对其进行全面的总结分析是十分必要的.本文首先对光催化CO_(2)还原反应的基本原理进行了分析,探讨了影响其活性和选择性提升的关键要素.然后,对几种典型的铟基三元金属硫化物的结构、组成特性以及合成方法进行了详细归纳.重点围绕铟基三元金属硫化物的性能提升策略,如形貌与结构调控、缺陷工程以及复合材料的构建等,总结了其在光催化CO_(2)还原领域的最新研究进展,深入剖析了催化剂的设计策略与催化活性增强之间的构效关系,以及密度泛函理论计算和原位表征技术在该领域的应用.最后,总结了目前铟基三元金属硫化物研究所面临的挑战,并对未来发展方向进行了展望.

电催化二氧化碳还原催化剂、电解液、反应器和隔膜研究进展

人类社会的正常运转非常依赖化石能源,然而化石能源的消耗已导致能源危机和环境污染,同时空气中CO_(2)的含量从工业革命以来一直攀升。将CO_(2)通过催化反应转化为高附加值的燃料和化学品,不仅可以缓解环境问题,还开辟了一种燃料合成新路径,其中电催化CO_(2)还原技术由于条件温和、反应可控、对环境友好和产物众多受到广泛关注。电催化CO_(2)技术有四个关键步骤:(1)电荷传输(电子从导电基底传输到电催化剂);(2)表面转化(CO_(2)吸附在催化剂表面并被活化);(3)电荷传输(电子从催化剂表面传输到CO_(2)中间体);(4)传质效应(CO_(2)从电解质扩散到催化剂表面,产物以反向路径扩散),前两个步骤依赖于具有丰富有效活性位点的催化剂,后两个步骤依赖于电解质的性质、隔膜的类型和电解池的配置。本文从工业化和商业化电催化CO_(2)技术出发,系统地归纳催化剂的发展、电解液的影响、反应器的进展和隔膜的类型,最后对电催化CO_(2)还原的产业化进行展望。

光热催化在二氧化碳还原反应中的原理,材料和应用

碳元素消耗导致了大量的CO_(2)排放,这引起了人们的广泛关注。发展可再生能源和减少CO_(2)排放的技术已成为世界上最迫切需要解决的问题之一。其中,太阳能作为地球上最理想的清洁能源,已成为当前研究的热点。如果可以利用太阳能将CO_(2)转化为有价值的碳基化学品,以上两个问题可以同时解决。光催化法和热催化法在CO_(2)还原中的应用已有许多报道。但关于光热催化还原二氧化碳的研究较少。本文综述了光热催化在CO_(2)还原中的研究现状,介绍了光热催化的概念和原理,催化剂的分类(新型炭材料、氧化物材料、金属硫化物材料、MOF材料、层状双氢氧化物材料)和催化剂的改性,以及其在CO_(2)还原方面的应用。最后,本文对催化剂的发展趋势进行了预测。因此,合理开发碳基化学品可以减少传统能源的消耗、碳排放,实现碳的循环利用。

空心二氧化钛掺杂铜提升光催化二氧化碳还原性能

光催化二氧化碳还原作为一种新兴绿色技术,有望同时解决能源危机和环境污染问题,因此近年来备受关注。TiO_(2)是目前研究最广泛的光催化剂之一,但也存在光吸收范围有限、光生载流子快速复合等不足。通过高温热解Ti基MOF(金属有机框架)前驱体可以将Cu掺杂进空心结构的TiO_(2)中。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析所制备的光催化剂的结构和形貌,并利用紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)和光致发光光谱(PL)探究构效关系。实验结果表明,Cu的掺杂可以增强光吸收能力,促进光生载流子分离,从而改善光催化CO_(2)还原性能,当Cu掺杂质量分数为0.50%时催化剂性能最佳,CO和CH_(4)的产量分别为6.3µmol/g和1.6µmol/g。

二氧化碳还原转化

二氧化碳是一种主要温室气体,也是来源丰富、环境友好的可再生碳一资源。其化学转化不仅可固定CO_(2),还可获得高附加值能源产品、化学品以及可降解的高分子材料,因此其资源化利用引起了科技界的广泛关注和研究兴趣。本专刊中收集了我国部分科学家在相关领域的研究成果,将展示通过热、电、光催化还原CO_(2)制备化学品和能源产品方面的最新研究进展。

基于流动池的电化学二氧化碳还原研究进展

采用电化学方法将二氧化碳(CO2)还原转化为基础化学品或碳基燃料是目前极具前景的碳资源利用新方式.考虑到该技术未来的发展方向和大规模应用需求,人们亟需开发具有高转化效率和高稳定性的电解设备.在本文中,作者详细介绍了现阶段发展的两种流动池的结构特点及性能优势,阐述了每种反应体系的内在局限性,深入分析了整个反应体系所用组件(电解池、气体扩散电极、离子交换膜)对于性能的影响.最后,针对目前该领域存在的挑战及未来发展趋势进行了总结与展望.

铋基二氧化碳还原电催化材料研究进展

二氧化碳(CO2)作为一种经济、安全、可再生的碳资源化合物,其高效回收利用一直是全社会关注的焦点.利用电化学方法,将CO2还原转化生成一系列高附加值的化学品或燃料,对于缓解能源与环境双重压力具有重要的现实意义.本论文介绍了电化学CO2还原反应的基本原理与过程,综述了近年来铋基催化材料的发展现状,重点对这类催化材料的制备合成、结构调控、催化反应机理研究等方面进行了总结,最后对其未来发展方向进行了探讨与展望.

类水滑石基催化剂光催化二氧化碳还原研究进展

类水滑石材料是一类特殊的二维层状阴离子黏土,其具有结构组成可调、记忆效应、结构有序等诸多优良特性,被认为是安全绿色的新型光催化剂。本文总结了类水滑石材料结构和特性,并阐明其主要特性在光催化过程中的应用;对各种类水滑石材料的光催化CO_(2)还原性能进行了对比;综述了光催化CO_(2)还原的机理及其发展所面临的挑战;根据光催化CO_(2)还原的基本过程,从光吸收、载流子分离和界面反应等角度对类水滑石基光催化剂的发展现状进行分类介绍。尽管类水滑石基光催化剂的研究已取得一定进展,但仍需进一步探究其光催化机理、各组分间的协同作用机理以及界面反应机理,以期实现类水滑石基光催化剂结构的合理设计和活性位点的精准调控。

ZnOHF纳米棒用于电催化二氧化碳还原制一氧化碳

通过电催化的方式将二氧化碳资源化利用是缓解或解决目前人类面临的生态危机的理想途径之一。开发廉价高效的催化剂是推动电催化二氧化碳还原走向工业化的关键。一氧化碳是重要的工业原料,利用CO_(2)还原制备CO具有重要的研究意义,但能够将CO_(2)转化为CO的高活性贵金属催化剂难以大规模应用,地球储量丰富的Zn基催化剂是具有潜力的替代者。然而,Zn基催化剂还原活性仍然难以满足现实需求且种类不够丰富。作者将ZnOHF材料引入到电催化CO_(2)还原中,通过简单水热合成法制备了不同尺寸的ZnOHF纳米棒并利用流动型电解池测试其性能。纳米棒较大的比表面积以及材料表面F原子的存在使其具有良好的催化活性,流动型电解池的使用加速了反应传质过程,在−1.28 V(vs.RHE)电势下,R2-ZnOHF纳米棒的CO法拉第效率最高为76.4%,CO分电流密度为57.53 mA/cm^(2)。

铜电极上二氧化碳还原机理的研究进展

本文从历史角度综述了二氧化碳在铜基催化剂上的还原机理的最新研究进展,对区分C1和C2产物路径发生的机制,以及调控二氧化碳还原产物选择性的影响因素和方法进行了重点阐述,着重讨论了如何利用电化学红外光谱与微分电化学质谱等技术在揭示反应机理方面的研究思路与方法学.

Cu-In-S纳米线促进电催化二氧化碳还原制备一氧化碳

电催化二氧化碳还原能够有效地存储和利用可再生能源并缓解温室效应。发展高效的二氧化碳还原催化剂是抑制析氢提升二氧化碳还原活性的有效方法。铜是目前报道的非常有潜力的二氧化碳还原催化剂。但是,铜往往表现出比较低的二氧化碳还原至一氧化碳的活性。对Cu纳米线引入S和In制备Cu-In-S用于二氧化碳还原,结果表明,Cu-In-S表现出高效的二氧化碳还原活性,其催化电流密度和还原至一氧化碳的法拉第效率有了明显的提升。S的引入有效地提升了电催化剂的粗糙度,提升其电化学活性面积;In的引入有效地抑制了析氢,提高了二氧化碳还原至一氧化碳的活性。

一体化电极电催化二氧化碳还原研究进展

电催化二氧化碳还原反应(E-CO_(2)RR)可在温和条件下将CO_(2)转化成高附加值燃料或化学品,近年来受到广泛关注,其在实际反应中涉及到气体扩散和多电子转移等复杂过程,构筑高效、稳定的催化电极是其发展的核心之一。然而,传统涂敷电极制备时,需要将催化剂与粘结剂混合涂覆于集流体表面,此过程会造成活性位点包埋和传质过程受限,致使催化剂活性位利用率下降,同时在反应过程中电极表面容易粉化,造成稳定性下降,难以重复利用。因此,如何调控电极反应界面,提升催化剂活性位的利用率仍面临挑战。将催化剂原位生长于集流体上得到的一体化电极可直接应用于电催化反应,不仅有利于提升活性位利用率以及电荷传输能力,还能有效调控三相界面处的微观反应环境(如pH、反应物及反应中间体的浓度等),从而实现电催化性能强化。本文综述了一体化电极用于E-CO_(2)RR的最新进展,分析了结构和表界面调控对E-CO_(2)RR性能的影响规律,并对该领域仍然存在的挑战和未来一体化E-CO_(2)RR电极的发展进行了评述与展望。