二氧化碳电化学还原催化剂

二氧化碳回收及利用是控制全球气候变暖的一项紧迫任务,具有能源、环境、经济多重现实意义。电催化方法可以在温和条件下使二氧化碳还原为高附加值的燃料、精细化工产品,具有广阔应用前景。针对二氧化碳电催化关键技术,从异相和均相催化剂两个方面进行了综述,并扼要介绍了光电催化的前沿进步。在未来研究中,从分子水平上认识催化机理,对现有异相、均相催化剂针对性改性,是开发新型高效、长寿催化剂的关键,也是低过电位下选择性生成燃料的核心技术。现有电化学、光电化学反应器的设计与建造为二氧化碳的电催化转化提供重要的工程技术支持,同时为人工"碳循环"和人类自身的可持续发展进行了前沿探索,将为人类未来生存提供广阔的发展空间。

银基复合催化剂用于二氧化碳电化学还原性能研究

由可再生能源驱动的二氧化碳电化学还原是碳中和的有效途径,但二氧化碳电化学还原仍存在低选择性、低产率、低稳定性和过电位等问题。二氧化碳电化学还原的性能与催化剂的结构和组成密切相关,因此,设计高活性的催化剂对二氧化碳电化学的商业化应用具有重要意义。利用煅烧三聚氰胺制备的C_(3)N_(4)作为银纳米颗粒的载体合成均匀分布的Ag/C_(3)N_(4),用于提高二氧化碳电化学还原制备一氧化碳的活性。C_(3)N_(4)含有富电子氮原子,作为载体能够改性金属Ag的电子结构,从而优化复合催化剂的电催化活性;Ag纳米颗粒均匀分散在C_(3)N_(4)载体上可以提高活性面积、避免团聚,进而提高反应稳定性。研究结果表明,相比于Ag/C催化剂和纯Ag纳米催化剂,Ag/C_(3)N_(4)催化剂提高了电催化二氧化碳还原制备一氧化碳的选择性、反应速率和稳定性。在电流密度为100 mA/cm^(2)以上反应7 h后,一氧化碳法拉第效率仍维持在90%以上。

电化学二氧化碳还原制甲酸催化剂的研究进展

随着日益增长的能源需求,人类社会对于传统碳基化石能源过度依赖,不仅加速了地球上有限能源储备的消耗,还导致大气中二氧化碳(CO_(2))不断累积。如何对二氧化碳进行可持续的捕获再利用,实现高效的零碳网络循环,已成为人类亟需解决的重大挑战之一。近年来,使用绿色可持续电力的电化学二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)生产增值化学品成为研究热点。本文首先介绍了CO_(2)RR的基本电化学反应原理;然后总结了电化学还原CO_(2)制备甲酸/甲酸盐的主要金属基催化剂,着重介绍了Bi、Sn、In三类金属基催化剂的设计调控策略;进一步概括了电化学相关的原位表征手段,分别介绍了原位光谱技术和原位X射线表征技术;最后对电催化二氧化碳还原研究领域的未来发展进行了展望。

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。

水滑石光催化剂结构调控用于二氧化碳还原的研究进展

光催化转化二氧化碳(CO_(2))为太阳能燃料或化学品被认为是缓解能源危机和温室效应的有效途径之一。为提高CO_(2)光还原产物的活性、选择性,光催化剂的结构设计和性能调控至关重要。在众多光催化剂中,二维层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)又称水滑石,因其层板阳离子组成及比例可调变、层间客体阴离子可交换等特性在光催化领域展现出广阔的应用前景。本文综述了LDHs结构调控策略用于强化光催化CO_(2)还原的研究进展。首先介绍了光催化CO_(2)还原的机理和LDHs光催化材料的结构特征;然后重点总结了基于缺陷工程、形貌尺寸调控和异质结构筑等策略调控LDHs光催化剂的电子结构及几何结构,优化后的LDHs通过增强光吸收、电子空穴分离迁移能力及表面还原反应能力,尤其是通过调控活性位结构降低反应势垒,实现了性能强化;最后,基于LDHs光催化剂在CO_(2)还原领域存在的挑战,包括LDHs的设计构筑、机理探索以及多碳产物的调控提出了相关解决思路和策略。

铜基催化剂电还原二氧化碳为甲酸研究进展

电化学二氧化碳还原(ECO_(2)RR)通过可再生能源制备高能量化学品或燃料对碳中和具有巨大价值。尤其是以铜基催化剂进行的ECO_(2)RR,其成本优势和卓越的催化活性使其成为最有前景的策略。在ECO_(2)RR的各种产物中,甲酸作为优秀的储氢材料和内燃机燃料展现出工业化生产潜力。本文针对近年来过渡金属族的铜基催化剂在制备甲酸的研究进展进行了全面的总结,从ECO_(2)RR制甲酸机理出发,综述了铜基催化剂在ECO_(2)RR制甲酸领域取得的重要研究进展,其中以典型催化剂为例分析ECO_(2)RR生成甲酸的策略,包括形貌结构、表面价态、合金化、晶面效应、空位和碳载体等,重点讨论了活性位点数量以及关键中间体*OCHO的形成对甲酸产物选择性的影响,最后总结了该领域面临的挑战以及从原位表征、科学计算和反应条件等角度的展望。

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。

二氧化碳电催化还原反应制合成气催化剂研究进展

利用电催化二氧化碳还原反应(CRR)将CO_(2)转变为有价值的合成气(CO/H_(2))受到广泛关注。CRR电催化剂的开发对于高效、精确制备合成气至关重要。本文综述了CRR制备合成气的反应过程、反应机理以及催化剂等方面的研究进展,介绍了现有CRR催化剂的种类、优点、存在的问题以及发展方向,具体分析了催化剂的掺杂元素种类和比例对反应中间体的影响,指出了掺杂非金属元素的金属原子边缘和活性位对CRR的作用,探讨了催化剂设计和反应条件调节对CO和H_(2)比例的精确调控。本文也讨论了增加反应活性位点、降低中间体的反应能垒等促进CRR以及调节合成气碳氢比的方式。此外,提出了可通过催化剂多级形貌调控、多活性位点设计、CO_(2)还原与阳极反应耦合等途径,提升CRR制合成气效率的策略。最后,探讨和展望了CRR制合成气在未来工业化生产中存在的挑战和问题。

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。

碳基催化材料在电化学还原二氧化碳中的研究进展

利用电化学还原技术将二氧化碳(CO_(2))转化为高能燃料或高值化学品是提升CO_(2)利用附加值、缓解CO_(2)排放压力的有效途径,也是风电、水电和太阳能等绿色能源的转化与存储方式之一,对间歇性电能“削峰填谷”意义重大。实现高效电化学还原CO_(2)的关键之一在于创制高性能的电催化材料。综述了碳基催化材料在电化学还原CO_(2)方面的研究进展,系统探讨了本征缺陷碳材料、掺杂碳材料、碳基复合材料和整体式碳材料的结构特点以及与电催化还原CO_(2)性能的构效关系,并在此基础之上,展望了碳基催化材料在电化学还原CO_(2)领域中的挑战和未来发展。

过渡金属(Fe、Co和Ni)单原子电催化剂在二氧化碳催化中的研究进展

电化学可将二氧化碳(eCO_(2)RR)转化为高附加值的含碳化学物,实现温室气体的循环利用,因此备受关注。新材料的制备成为该技术的核心。过渡金属催化剂中的d带电子结构接近费米能级,能够克服本征活化障碍,原子级催化剂更是因优异的催化活性而深受研究人员的亲睐。本文综述了过渡金属基(Fe、Co和Ni)单原子电催化剂的研究进展,以及其在eCO_(2)RR还原中的催化性能,对其面临的挑战与未来的发展方向进行了展望。

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。

原位衰减全反射表面增强红外光谱示踪单原子催化二氧化碳电还原反应中间体的研究进展

电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)涉及多个电子和质子转移,动态演变过程复杂.具有结构简单性和均匀性的单原子催化剂(SACs)是研究上述复杂过程的理想模型催化剂,有利于理解催化构效关系.原位衰减全反射表面增强红外光谱技术为识别单原子催化CO_(2)RR的动态演变过程提供了有利方法.本文总结了原位红外光谱在电催化CO_(2)RR研究中的应用:首先,简要介绍了电化学衰减全反射表面增强红外光谱的表面增强机制;详细探讨了原位衰减全反射表面增强红外光谱技术在研究原子级金属催化剂催化CO_(2)/CORR反应动态演变过程的关键作用;简述了原位红外谱图确定界面水的相关信息以及电极局部pH值的定量方法.原位电化学红外光谱技术加深了对CO_(2)RR反应机制的理解,揭示了催化剂结构、电解质种类、分子吸附方式等对反应活性和选择性的调控规律.尽管研究已取得较大进展,但由于电催化CO_(2)RR的复杂性,学者对该反应的认知仍不够全面和深入,面临的机遇和挑战如下:(1)精准辨识CO_(2)RR关键中间体/生成物.特别是当中间体/生成物的特征峰与其他峰重叠时,精准识别相关特征峰将极具挑战.一方面,需进一步提高原位光谱技术分辨率;另一方面,近年来深度学习算法在光谱分析领域的应用为中间体/生成物混合特征峰的精准识别提供了有效方案,此类算法能建立变量之间的关系,实现光谱中特征信息的智能、精准提取;(2)深入解析CO_(2)RR机理和复杂的反应路径.目前,研究者尚难以通过直接实验手段明确CO_(2)RR路径.原位电化学红外光谱技术结合密度泛函理论(DFT)是明确CO_(2)RR中间体和反应途径的可行方案,能够进一步指导反应条件优化和催化剂结构设计;(3)建立工况下的原位CO_(2)RR机理研究方案.膜电极组件(MEA)电解槽通过使用膜直接连接阴极气体扩散电极和阳极,有效解决了H型反应器的局限性,具有工业应用前景.然而,基于MEA的工况条件CO_(2)RR机制研究鲜有报道.因此,需要开发工况条件下的原位电化学光谱技术,以探究三相界面分子尺度关键中间体/生成物动态演变,并建立工况条件的CO_(2)RR催化构效关系,这将有助于提高工况下的选择性、转化效率,以及实现更高价值的多碳产品的规模生产,并进一步指导高效反应器设计.综上,本文详细综述了原位红外光谱在电化学CO_(2)RR研究中的应用,并对电催化CO_(2)RR目前遇到的问题提出了解决方案,希望对广大科研工作者利用原位红外光谱进一步深入研究电催化CO_(2)RR提供参考和借鉴.

铜对银催化二氧化碳电还原影响的研究

二氧化碳的催化还原有望实现温室气体的转化和回收,同时也能生成一些如甲醇、乙醇等低相对分子质量的经济性产物。不仅如此,二氧化碳的催化还原也可以实现碳循环,以达成我国制定的2030年“碳达峰”,2060年实现“碳中和”的目标。电催化还原二氧化碳相比于光催化以及光电混合催化而言,具有能耗低、不限场地、反应条件简单的优势,但同时其对催化剂的性能要求较高。本文比较了Cu-Ag合金与Ag单质催化性能上的差异,对相关催化剂的研究做了铺垫。

铜锌双金属催化剂在电化学还原CO_(2)领域的研究进展

电化学还原CO_(2)(CO_(2)ER)不仅能够实现CO_(2)的资源化利用,生产出高附加值化学品,同时也有助于推动绿色低碳发展,实现可持续发展。在CO_(2)ER领域,相较于单金属催化剂,双金属催化剂特别是Cu-Zn双金属催化剂,因其经济环保、活性位点丰富及电子结构可调等特性备受关注,这些优点使其在C—C偶联形成多碳(C2+)产物的过程中具有显著优势。综述了Cu-Zn双金属催化剂在CO_(2)ER领域的研究进展,归纳了界面协同效应、表面吸脱附和界面缺陷等因素影响CO_(2)ER过程中的电子转移或电子-质子耦合机制,进而揭示其催化生成不同还原产物的反应机理。此外,针对Cu-Zn双金属催化剂在CO_(2)ER生成特定产物过程中的性能进行分类讨论,重点探讨催化剂的制备方法以及电解池的类型对催化剂性能的影响。最后,就CO_(2)ER领域催化剂在活性、稳定性及产物选择性等方面所面临的挑战进行展望。

炭载单原子催化剂在电还原二氧化碳领域的研究进展

电化学二氧化碳还原(Electrocatalytic CO_(2) Reduction,ECR)能够实现可再生能源的存储和利用,并将CO_(2)转化为高值化学品,是“双碳”背景下重要的能源利用方式,经济和环境效益显著。高效催化剂是ECR过程的核心。单原子催化剂因具有理论上100%的活性组分原子利用率,是理想的ECR催化剂之一。炭材料兼具高比表面积和优异导电性等优点,是电催化的理想载体。本工作根据单原子活性中心与炭载体作用方式的不同进行分类,综述了近十年代表性炭材料负载的单原子催化剂制备、结构、性能以及在ECR反应过程中的作用机制,期望能够为相关领域的研究提供思路和借鉴。

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。

Ag/Cu耦合催化剂的Cu晶面调控用于电催化二氧化碳还原

电催化二氧化碳还原是降低大气中二氧化碳浓度和缓解温室效应的有效方法。然而,将CO_(2)电还原为具有高附加值和高能量密度的碳氢化合物或燃料(C_(2+)产物)仍然具有十足的挑战性。为了降低大气中二氧化碳浓度和将其转换为有价值的工业品,本文通过优化Ag/Cu耦合催化剂中Cu的晶面,有效地促进了其还原CO_(2)至C_(2)H_(4)和C_(2)H_5OH等C_(2+)产物。利用暴露Cu_(2)O(100)晶面的Ag/Cu_(2)O-(100),暴露Cu_(2)O(111)晶面的Ag/Cu_(2)O-(111)以及具有Cu_(2)O(100)和(111)晶面的Ag/Cu_(2)O-(100/111)还原制备得到了三种具有不同Cu晶面的Ag/Cu耦合催化剂。控制Cu/Ag比均为30∶1,采用H型电解槽,在CO_(2)饱和的0.1mol/L KHCO_(3)电解液中,评估了其CO_(2)电化学还原性能。其中,具有Cu(100)和Cu(111)晶面的Ag/Cu-(100/111)催化剂展现出最优异的将CO_(2)还原为C_(2+)产物的性能,Cu(100)晶面和(111)晶面的界面有效地促进了C—C耦合,其在-1.3V、-1.5V(vs.RHE)时,C_(2+)产物的法拉第效率(FE)均在50%以上,在电位为-1.5V(vs.RHE)时,C_(2+)产物的最大FE为57.7%,部分电流密度为8.92mA/cm~2。

二氧化碳电化学还原用铜基催化剂研究进展

随着经济高速发展,对能源的需求持续增加,二氧化碳(CO2)气体的排放量也日益增长。CO2电化学还原(ERC)制备燃料和化学品技术是实现CO2转化利用及可再生能源储存的有效途径。铜(Cu)基催化剂是一类能够以较高效率将CO2直接还原为高附加值化学品(如碳氢化合物)的催化剂,因而是ERC技术的研究重点之一。重点综述了近几年ERC技术用Cu基催化剂的主要研究进展。首先概述了ERC的反应原理及其存在的技术挑战,然后从铜金属催化剂、多金属铜基催化剂、铜氧化物及其衍生催化剂和铜‐有机物复合催化剂方面,讨论了Cu催化剂结构、组成的协同调控策略。此外,还分析了Cu基催化剂的研究进展和仍待解决的问题,最后对该类催化剂的发展方向进行了展望。

铜基催化剂在电还原二氧化碳领域的应用研究

为了实现碳达峰碳中和的国家战略,利用可再生能源发电将二氧化碳电催化转化为化学品再利用,这引起了科学界的广泛关注.铜基催化剂可将二氧化碳电还原为高附加值的多碳产物,但仍需研究其催化机理来提高催化产物的选择性和催化效率.根据铜的状态可将铜基催化剂分为单原子铜基催化剂、定向晶面铜基催化剂、氧化态铜基催化剂和铜合金/复合催化剂.本文简要介绍了以上4类铜基催化剂的常见制备方法、结构特点、电催化还原二氧化碳的效果和可能的催化机理.