CeO_(2)改性CuO纳米棒协同促进电催化还原CO_(2)制乙烯

随着社会经济发展及人类活动扩大,大气中CO_(2)的浓度日益增加,且带来诸多环境污染问题.因此开发高效、可持续的CO_(2)转化方法至关重要.本文基于电催化反应机理,制备了一系列CuO/CeO_(2)纳米棒复合材料,以促进二氧化碳高选择性还原为C2H_(4).结果表明,经过优化后的CuO/CeO_(2)-2(molCeO_(2):mol_(CuO)=2%)电催化剂在电流密度达到20mA/cm^(2)时,所需电位最低(-0.99V vs.RHE),且对乙烯具有最高的选择性,在电压为-1.08V vs.RHE时,法拉第效率高达46%.此优势可能与大的表面积、更粗糙的表面以及CuO和CeO_(2)之间的协同效应有关,有效提高了反应活性位点和电子转移效率.本研究将为设计和优化CuO基复合材料以实现CO_(2)的高效转化提供理论指导.

Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料的制备及其电催化还原CO_(2)性能研究

采用沉淀法-水热法合成了电催化Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料.利用X-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)等方法对样品的结构和形貌进行了研究.用电化学测试方法对材料电催化性能进行研究,用气相色谱和核磁共振氢谱对产物进行分析.电催化实验结果表明,Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料的电催化性能及对甲酸盐的选择性远高于Bi_(2)O_(3)和CuO.其中比例为1∶1的Bi_(2)O_(3)-CuO复合材料性能最好,在-1.2 V vs.RHE的电位下,甲酸盐的法拉第效率为90.3%,电流密度为20 mA/cm^(2),测试10 h保持稳定.

电催化还原废水中硝酸盐制氨的研究进展

硝酸盐作为地表和地下水中常见的污染物,对环境造成严重污染,电催化还原硝酸盐制氨可促进水体中的氮循环。综述了用于硝酸盐还原制氨的过渡金属、贵金属及非金属催化剂的研究进展,对该领域的大量实例进行了收集,分析了电极材料具有高效率的原因,综述了电催化还原硝酸盐制氨的反应机理、电极制备方式、操作条件、硝酸盐去除率及选择性;对电极电势、硝酸盐浓度、pH、电流密度、支持电解质等影响因素进行了分析,比较了电催化还原硝酸盐制氨的反应器形式及生产出产品氨的生产工艺,并对实例中的生产能耗进行了对比;最后,对该领域的挑战和前景进行了展望。

MOFs基材料在电催化还原CO_(2)中的应用

介绍了金属有机框架(MOFs)基材料用于电催化还原CO_(2)(eCO_(2)RR)的研究进展和相关催化剂的制备方法,对比了不同结构MOFs基催化材料在eCO_(2)RR的催化活性、催化稳定性以及产物选择性方面的表现。指出MOFs材料因具有周期性结构的催化活性位点和较高的CO_(2)吸附性能被广泛应用于电催化领域,合理设计高活性、高选择性的CO_(2)还原电催化剂以实现高效的CO_(2)减排,对减少全球温室气体的排放具有重要意义。

镍纳米颗粒调控MOF基镍-氮碳催化剂高效电催化还原CO_(2)的研究

通过碳化负载镍络合物的沸石咪唑骨架(ZIF-8)合成了一种高性能镍-氮-碳催化剂(Ni-NC)。通过透射电镜､BET､X射线光电子能谱仪对材料的多孔结构及金属-氮的配位情况进行表征。结果表明,合成的Ni-NC催化剂表现出优异的CO_(2)ER活性和选择性:在较低的过电位490 mV下达到92.6%的CO法拉第效率,并在-0.7 V达到最大值94.6%,电流密度为20.6 mA/cm^(2),性能优于未负载镍的氮掺杂多孔碳,表明镍纳米颗粒在催化反应过程中起着至关重要的作用。此外,在10 h的电解中,CO法拉第效率可保持在90%以上。合成的Ni-NC催化剂在电催化还原CO_(2)为CO方面具有广阔的应用前景。

Cu-Pd双金属电催化还原硝酸盐的研究进展

大量生活污水和工业废水排放导致地表水中硝酸盐污染加剧,对水生生态系统产生负面影响。而且,人体过量摄入硝酸盐会转化为亚硝酸盐,产生健康问题。因此,有必要对污(废)水中的硝酸盐进行去除。电催化还原技术是近年来兴起的硝酸盐去除技术,其中电极材料是影响电催化还原硝酸盐效果的重要因素。Cu-Pd双金属是当前最有潜力的电催化还原硝酸盐的阴极材料之一。阐述了Cu-Pd双金属电催化还原硝酸盐的机理,并从材料合成方法、载体优化及活性影响因素等角度进行了Cu-Pd双金属电极材料性能优化途径评述,总结了电催化还原硝酸盐过程中Cu-Pd双金属电极材料存在的问题及优化方向,旨在为后续Cu-Pd双金属电催化还原硝酸盐研究提供参考。

电催化还原硝酸盐废水用阴极材料的研究进展

基于电催化还原硝酸盐的反应机理,从非金属电极、单金属电极、双金属电极和复合材料电极等方面综述了国内外电催化还原硝酸盐阴极材料的研究进展。指出双金属电极和复合材料电极是未来的研究重点,开发N_(2)选择性高、稳定性强以及制备成本低的阴极材料是未来的发展方向。

SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极制备及其电催化还原CO_(2)产甲酸性能研究

【目的】电催化还原CO_(2)(CO_(2)RR)是降低大气中CO_(2)浓度的绿色可行方案,制备高催化性能和稳定性的催化剂尤为重要。【方法】以γ-Al_(2)O_(3)粒子为载体,采用浸渍-焙烧法制备了SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极用于电催化还原CO_(2)产甲酸来测试其性能,并结合物化分析、电化学测试及长周期实验等手段对粒子电极的微观结构、物相组成、电催化活性、产甲酸性能和稳定性进行了探讨。【结果】物化分析结果表明,负载SnO_(2)前后的形貌由孔洞和裂痕状为主转变为裂层状,比表面积自310.18m^(2)/g增加到352.70m^(2)/g,粒子电极中Sn含量占比48.32%,SnO_(2)成功分散负载到γ-Al_(2)O_(3)表面。据电化学测试所得,SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极的伏安电量(扫速50mV/s)、交换电流密度和析氢电阻分别为40mC、20.02μA/cm^(2)和96.86Ω,与γ-Al_(2)O_(3)相比分别提高了37.93%、75.46%和6.80%,大幅提升CO_(2)RR活性的同时有效抑制了析氢副反应。SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极表现出良好的CO_(2)RR特性,反应时间2h的产甲酸速率为70.35μmol·h-1·cm-2,电流密度为4.94mA/cm^(2),法拉第效率和能量效率分别为79.05%、24.51%;经过12h连续电解,产甲酸法拉第效率仍高于67.81%,说明制备的SnO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)粒子电极具有较强稳定性。

类普鲁士物前驱体铜基催化剂用于二氧化碳电催化还原制备多碳产物的研究

以合成的铜铁类普鲁士物为前驱体,通过热解、还原及脱铁法制备了纳米铜催化剂颗粒,系统研究了热解温度(250、400℃)对催化剂性质及催化效果的影响。结果表明,较低的热解温度导致CuFe-250含有更多碳氮元素残留,并导致了不同的催化效果。与CuFe-250相比,CuFe-400拥有更高的乙烯和一氧化碳选择性,其中乙烯的法拉第效率峰值可达52%。机理分析结果表明,在二氧化碳电催化过程中,受催化剂影响的三相界面结构对产物的选择性具有关键的影响。

Ag/Ag_(2)CO_(3)宽电势催化剂电催化还原CO_(2)制CO性能研究

电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)催化剂面临稳定性差和选择性低等挑战,开发高性能、宽电势CO_(2)RR催化剂成为研究热点。采用原位制备法,在伏安线性扫描过程中,反应诱导银箔基底与KHCO_(3)电解液原位生成催化剂I-Ag/Ag_(2)CO_(3)。采用XRD、XPS、Raman、SEM和TEM等对I-Ag/Ag_(2)CO_(3)进行了表征,并考察了其在H型电解池中电催化性能。结果表明,I-Ag/Ag_(2)CO_(3)在宽电势(-0.78~-1.78 V)范围内表现出高效的CO_(2)还原制CO催化性能,该催化剂的CO部分电流密度最高可达53 mA/cm^(2)。该催化剂在1 V的宽电势区间内CO法拉第效率(FECO)高于80%,在-1.18 V(参比电极为可逆氢电极,下同)电势下FECO最大值为96%,并能够在-1.0 V、20 h内不低于90%。通过构-效关系分析可知,通过原位制备法获得的I-Ag/Ag_(2)CO_(3)上Ag和Ag_(2)CO_(3)之间形成了特殊异质结构,减小了电子转移至CO_(2)的阻力,提高了CO_(2)RR过程速控步骤的反应速率。

基于电催化还原硝酸盐合成氨的综合实验——铜基催化剂制备表征、性能探究及应用设计

电催化作为纳米材料和能源化学领域的研究热点,是未来新能源存储与转化技术的关键所在。在“碳达峰,碳中和”背景下,电催化还原硝酸盐合成氨技术被认为是绿色、安全的技术,为了填补这一前沿科研成果在实验教学中的空白,我们开发了基于电催化还原硝酸盐合成氨的综合化学实验。本实验具有基础知识-科学研究-实际应用的一体化设计,包含铜基催化剂制备表征、性能探究及应用设计的层次化内容,有助于学生了解电催化的研究进展,掌握电催化的基础知识与研究方法,培养学生的创新意识与学以致用的能力。

电催化还原CO_(2) Cu基催化剂研究进展

随着全球气候变化问题日益严重,电催化CO_(2)还原反应(ECO_(2)RR)作为一种将CO_(2)转化为高附加值燃料和化学品的方法受到了广泛关注。Cu作为一种ECO_(2)RR催化剂,能够高效催化CO_(2)电还原产生多种C+2产品,但是Cu催化剂在ECO_(2)RR中存在选择性差、稳定性差等问题。为了提高Cu催化剂的性能,通过杂原子修饰,缺陷构造,调控尺寸、形貌、晶面以及组成等策略对其进行了改性。对Cu基催化剂在ECO_(2)RR中的应用进行了综述,详细介绍了Cu基催化剂尺寸和形貌调控以及组成调控(如铜氧化物、双金属铜基催化剂、非金属掺杂)的设计策略,并分析了这些策略对Cu基电催化剂结构与性能的调控规律。

电催化还原处理农田地下水硝酸盐污染的研究进展

农业集约化导致氮肥施用量呈直线上升趋势,由此引发了农田地下水硝酸盐污染问题,电催化还原工艺作为电化学污水处理技术中最为简单有效的还原方法,对农田地下水中的硝酸盐类污染物具有良好的去除效果。但受体系效能限制,电催化还原工艺处理农田地下水硝酸盐污染仍存在能耗偏高、还原机理解析不明晰等问题。本文简要论述了异质结阴极用于电催化还原体系处理水中硝酸盐类污染物的研究进展,分析了异质结阴极的制备方法及其在电催化还原过程中所起的作用。同时,重点介绍了近年来的研究成果、结构特点、性能,对异质结阴极的作用进行了评价与总结,为农田地下水硝酸盐污染的电化学深度处理提供参考。

理论指导构建Cu-O-Ti-O_(v)活性位点及其高效电催化还原硝酸根研究

面向国家绿色低碳战略目标,变革化石资源合成氨技术路线变得尤为迫切,开发可再生能源制“绿氨”将成为合成氨领域未来的重要发展方向.将工业废水中的硝酸根(NO_(3)-)电催化还原为氨(NO_(3)RR),既可有效回收氨,又能消除硝酸根污染影响.然而,NO_(3)RR涉及缓慢的八电子转移过程,含有多种反应中间体,其反应机理复杂不明.此外,水系电解液中存在的析氢竞争反应也为高效NO_(3)RR催化剂的开发设计带来了巨大的挑战.为突破高效催化剂的发展瓶颈,本文通过理论模拟,在低成本的催化剂上设计了高效的NO_(3)RR催化活性位点,并利用简单的制备策略合成了目标催化剂.同时,结合原位表征技术,阐明了NO_(3)RR的反应路径及催化机理.本文通过密度泛函理论(DFT)计算发现,Cu/TiO_(2)催化剂上的Cu-O-Ti-O_(v)结构具有较好的NO_(3)-还原活性,该结构不仅能够促进反应中间体NOx-的吸附和活化,还能有效抑制竞争析氢反应,从而降低NO_(3)RR的反应能垒.在该结构上,NO_(3)RR的反应路径为:NO_(3)^(*)→NO_(2)^(*)→HONO^(*)→NO^(*)→*NOH→*N→^(*)NH→*NH2→*NH_(3)→NH_(3).基于理论计算结果,分别采用浸渍法和尿素水解法制备了系列富含Cu-O-Ti-O_(v)结构的Cu/TiO_(2)催化剂.氮气等温吸附-脱附曲线、拉曼光谱(Raman)、电子顺磁共振波谱、X射线光电子能谱(XPS)和傅立叶红外光谱等结果发现,相比于采用浸渍法制备的系列Cu/TiO_(2)催化剂,采用尿素水解法制备的Cu/TiO_(2)(CT-U)催化剂具有更大的比表面积以及更多的Cu-O-Ti-O_(v)位点,说明尿素水解法可提高Cu颗粒在TiO_(2)载体表面的分散度,增强Cu颗粒与TiO_(2)载体之间的相互作用,提高Cu/TiO_(2)催化剂表面的Cu-O-Ti-O_(v)位点含量.将以上制备出的催化剂应用于催化NO_(3)RR中,结果表明,在-1.0 V vs.RHE还原电位下,CT-U催化剂上氨产率可达3046.5μg h^(-1) mgcat^(-1),高于大多数文献报道结果.循环稳定性测试结果表明,在Cu/TiO_(2)催化剂上构建Cu-O-Ti-O_(v)位点还能显著抑制电催化反应过程中Cu物种从Cu/TiO_(2)催化剂上溶出,从而显著增强催化剂的稳定性.此外,设计制备了不含氧空位的Cu/TiO_(2),TiO_(2)-x,Cu,Cu_(2)O以及CuO催化剂,并将其用于催化NO_(3)RR.结果发现,上述催化剂上的氨产率皆明显低于CT-U催化剂,说明Cu,Ti以及O_(v)构成的Cu-O-Ti-O_(v)结构具有较好的催化协同作用,从而显著提升了NO_(3)RR反应活性.最后,通过原位Raman及原位XPS表征检测反应中间体,验证了由DFT模拟出的NO_(3)RR反应路径.综上,通过在Cu/TiO_(2)催化剂上理论指导构建Cu-O-Ti-O_(v)活性位点,实现了NO_(3)RR性能的有效提升.Cu-O-Ti-O_(v)结构中的多位点协同作用不仅促进了NO_(x)-的吸附和活化,而且抑制了电催化过程中Cu物种从催化剂上的溶出,从而提高了催化剂的稳定性.本研究为设计高效稳定的NO_(3)RR催化剂提供了新思路.

基于第一性原理计算的单原子催化剂电催化还原CO_(2)研究实验设计

为了拓展计算材料学实验课程前沿内容,设计了基于第一性原理计算的电催化CO_(2)还原体系性能研究实验项目。实验包括电催化CO_(2)还原(ECO_(2)RR)体系基础学习、计算模型构建、任务提交及计算结果分析等内容。该文介绍了ECO_(2)RR体系的设计和模拟方法,通过在Mo_(2)CO_(2) MXene基单原子催化剂表面构建电催化体系,对其CO_(2)吸附机理和还原机理进行了分析,并通过对比生成不同反应产物的反应能量研究了单原子催化剂与ECO_(2)RR活性和产物选择性的构效关系。

CO_(2)电催化还原制合成气研究进展及趋势

可再生电能驱动CO_(2)电催化合成化学品或燃料,具有反应条件温和、产物选择性可调且可利用分布式可再生能源优势。合成气作为一类重要的化工原料气,可制备甲醇、乙醇、烯烃等大宗化学品,是CO_(2)电催化转化的重要途径,如何高电流密度、高选择性且精准调控碳氢比例(CO/H2)是需要解决的关键科学技术难题。本文从提升电流密度和效率、拓宽合成气比例角度出发,综述了CO_(2)电催化还原制合成气的最新研究进展,包括电极材料设计、电解液开发、电解槽结构创新等;论述了利用原位表征和理论模拟(DFT、MD)方法对CO_(2)电催化还原制合成气反应机理的研究进展。在此基础上,提出可通过催化剂多级形貌调控、多活性位点设计、CO_(2)捕集与转化系统集成、CO_(2)还原与阳极反应耦合等途径,提升CO_(2)电催化还原制合成气效率的策略。最后,探讨和展望了实现CO_(2)电催化还原制合成气工业化的挑战和问题。

Cl掺杂CuO在Cu^(+)和O空位协同作用下高效电催化还原CO_(2)为C_(2)H_(4)

通过简单的一步水热合成法合成具有富集Cu^(+)和氧空位活性位点的氯掺杂氧化铜催化剂(Cl-CuO),并通过调节氯元素的掺杂量使得Cu基催化剂对乙烯(C_(2)H_(4))拥有较高的选择性和法拉第效率(FE)。结果表明,在-1.2 V[针对可逆氢电极(RHE)]下,C_(2)H_(4)的最大法拉第效率为46.8%;并且在经过15 h电解后,法拉第效率和电流密度无明显下降。Cl-CuO中C_(2)H_(4)的生成归因于Cu^(+)与氧空位的协同作用。

双金属ZIF衍生的ZnxCoy/N-C催化剂及其高效电催化还原CO_(2)制CO的性能研究

电催化CO_(2)还原是实现CO_(2)资源化利用的重要方法,其关键在于高效催化剂的合成。以双金属有机骨架化合物(ZnxCoy-ZIF)为前驱体,经高温热解得到ZnxCoy/N-C催化剂,研究了前驱体中双金属的物质的量之比及热解过程对ZnxCoy/N-C催化剂的碳载体形成、N掺杂程度、Co电子结构变化及电催化还原CO_(2)制CO的反应性能的影响。结果表明,前驱体中Zn的存在有利于碳载体活性面积的提高,并且促进Co-Nx活性位点的形成,实现对Co位点电子结构的有效调节。900℃热解获得的ZnxCoy/N-C催化剂具有高活性及高导电性,在电还原CO_(2)制CO反应中,电流密度最高可达135 mA/cm2,且CO分电流密度为59 mA/cm2,CO法拉第效率达56.1%,在40 h的性能测试中,ZnxCoy/N-C催化剂的催化活性未出现下降,在电催化CO_(2)中具有工业化的潜力。

Pd/TiO_(2)催化水体中四溴双酚A的电催化还原脱溴

以TiO_(2)、Al_(2)O_(3)、CeO_(2)和SiO_(2)为载体,采用浸渍法制备Pd基催化剂,并通过透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)等手段对催化剂的结构进行了详细表征.以Pd/TiO_(2)为催化剂,研究四溴双酚A(TBBPA)在阴极池的电催化还原.结果表明,悬浮体系中Pd基催化剂的催化活性远高于固定体系;与其他载体相比,Pd/TiO_(2)的电催化还原活性最高;反应过程符合Langmuir-Hinshelwood模型,受控于TBBPA在催化剂表面的吸附过程;随着恒定电流和Pd负载量的增大,TBBPA电催化还原反应的初活性呈现火山型变化规律;经过5次循环使用,Pd/TiO_(2)催化剂仍能够完全去除TBBPA,具有良好的稳定性.

纳米泡沫银用于流动池电催化还原CO_(2)

纳米泡沫银(AgNFs)具有疏松多孔的内部结构,这种结构利于CO_(2)气体的传递,非常适合应用于流动池电催化体系。首先通过化学还原法制备了乙酸银前驱体,然后进行电化学还原制得AgNFs催化剂。进一步研究了不同CO_(2)流量、不同催化层厚度和不同pH电解质对AgNFs催化CO_(2)还原性能的影响,结果表明AgNFs在CO_(2)流量大于5 mL/min、催化层厚度为52.3μm、电解质为0.5 mol/L KOH时具有更好的催化活性和CO选择性,在电流密度-20~-80 mA/cm^(2)范围内,CO的法拉第效率(FECO)始终大于99%。在70 h的稳定性测试中,FECO稳定在93%以上。AgNFs的多孔结构能促进更多反应活性位点的暴露,利于CO_(2)的传质扩散,这是AgNFs在流动池中CO_(2)电催化还原性能好的主要原因。