热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统耦合特性

为了减少工业烟气中余热与CO_(2)的排放,本文提出了热再生电池堆-二氧化碳电化学还原池系统(TRBCO_(2)RR)。该系统通过串联多个非水系热再生电池(thermally regenerative battery,TRB)构建电堆,并将其用于驱动CO_(2)电化学还原(electrochemical reduction of CO_(2),CO_(2)RR)。本文研究了CO_(2)电化学还原特性、非水系TRB电堆性能及非水系TRB-CO_(2)RR系统耦合特性。研究结果表明,碳纸负载纳米银多孔电极上催化剂分布较为均匀,在-1.8V电位下(对应的槽电压为5.1V)表现出最佳的电化学还原CO_(2)性能,其CO法拉第效率达到了最佳值78.7%。为此,构建了6个子电池的串联电堆,开路电压达到7.2V左右,最大功率为235mW,在34min内放电相对稳定。运行非水系TRB-CO_(2)RR耦合系统后,电堆未出现反极现象,CO法拉第效率(73.1%)接近稳定电源所获得的最佳值。未来研究可通过优化催化剂和电堆设计,有望进一步提高耦合系统CO_(2)RR转化效率。

自支撑Bi@Cu纳米树电极高效电化学还原CO_(2)制甲酸

利用电化学方法将CO_(2)转化为高值化学品是实现碳中和目标的一条有效途径。制备高性能电极是实现CO_(2)高效转化的关键一环。常规喷涂法所制电极中催化层与集流体间的不良接触会严重影响电催化活性以及稳定性。为此,本研究结合电化学沉积和离子置换反应法,构建了一种原位生长的Bi@Cu纳米树(Bi@Cu NTs)自支撑电极。自支撑纳米树结构在降低界面电阻、确保空间结构稳定的同时,为反应提供了丰富的活性位点和发达的孔隙结构,进而实现CO_(2)分子、电解液离子以及电子的协同传输,并进一步促进电化学CO_(2)转化。实验结果表明,Bi@Cu NTs电极在电化学活性和长期运行稳定性方面表现出色。在–1.4~–0.8 V(vs.RHE)的宽工作电位窗口范围内,甲酸选择性均超过90%;在–1.2 V的工作电位下,该电极同时实现了高达97.9%的甲酸选择性和170.6 mA·cm^(–2)的电流密度。此外,该电极在–1.0 V下经过50 h持续电解,获得了超过90%的平均甲酸选择性及大于110 mA·cm^(–2)的平均电流密度,且性能未见明显衰减,稳定性优异。

Cu基催化剂电化学还原CO_(2)合成乙醇的研究进展

用电化学还原法将二氧化碳(CO_(2))转化为高能量密度的多碳化学品最近成为一个研究热点,在所有的电化学还原二氧化碳(ERCO_(2))催化材料中,Cu基材料因为对中间体CO良好的吸附性能表现出较高的C_(2)产物选择性.为此首先介绍了ERCO_(2)反应机理以及常见的反应器类型;再总结了5种代表性的Cu基催化剂(单金属、氧化物衍生、金属有机框架、合金和非金属修饰)及其在ERCO_(2)选择性合成乙醇方面的最新进展;并阐述了Cu基高活性催化剂的设计策略,如缺陷工程、形貌控制、晶面工程以及他们之间的协同效应等;最后展望了高效ERCO_(2)催化剂制备乙醇所面临的挑战和今后的发展方向.

碳纤维阴极电化学还原氯霉素的效能与机理

以CAP为对象,利用碳纤维阴极研究电化学还原氯霉素的效能与机制。重点探究电流密度、pH、CAP初始浓度、电解质浓度和种类对CAP降解效果、TOC去除率和脱氯效果等影响,研究表明电流密度和电解质种类对CAP的降解效果影响较大,阴极还原的最佳反应条件为:电流密度40 mA·cm^(-2)、CAP初始质量浓度10 mg·L^(-1)、Na_(2)SO_(4)浓度0.02 mol·L^(-1)。通过循环伏安法研究发现CAP在电极表面发生直接还原与间接还原,三维荧光测试结果表明反应后水中有机物含量仍较高。利用超高效液相-四极杆飞行时间质谱对中间产物进行检测并分析CAP在阴极降解的机理,还原后的产物主要为毒性较低的芳香胺物质。电化学处理CAP主要通过脱氯还原得到毒性较低的物质,从而降低了后续处理过程产生有毒物质的风险,研究结果为电化学还原去除水中抗生素的应用提供了相关探索和技术支撑。

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。

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。

基于BP神经网络的电化学还原硝酸盐过程智能控制

电化学还原硝酸盐过程关键在于该废水处理过程中参数的有效控制。基于硝态氮电化学还原的测试数据和各参数间的相关性,得出与出水效果密切相关的四因素,即反应时间、初始浓度、初始pH和电流密度,采用BP神经网络算法建立了电化学法还原硝态氮的预测模型,并验证了模型的准确性。结果表明,4-7-1型BP神经网络网络构型最优,模型预测的去除效果与实测值相吻合,R2为0.9095。利用BP神经网络模型对参数调控,可以优化电化学处理过程:对电流密度进行阶段性调控,在相同处理量下可降低15%的能耗;在水质波动情况下进行电流密度控制,在相同处理时间内可保证出水达标。该研究结果可以为智能控制电化学去除硝态氮的过程提供参考。

原位电化学氧化还原制备高性能表面增强拉曼散射银纳米颗粒薄膜

在适当p H范围的碱性溶液中,通过施加氧化还原电位实现光滑Ag基体原位转化为纳米多孔结构,此纳米多孔结构由平均尺寸为21.88nm的Ag纳米颗粒(AgNPs)组成。系统研究电化学氧化还原调控制备AgNPs电极过程中Ag基体的物相和形貌演化过程:在可控氧化还原电位的作用下,光滑Ag基体首先被电化学氧化为Ag_(2)O,引起晶胞体积膨胀,随后电化学还原生成金属Ag,伴随体积收缩。晶胞体积在可逆电化学转化过程中的膨胀和收缩导致Ag基体表面原位形成高孔隙结构。采用该方法制备的AgNPs电极呈现优异的表面增强拉曼散射性能,将其作为衬底检测罗丹明6G溶液时,拉曼光谱检测限可低至5.44×10^(-10)mol/L。

Pd/MnO_(2)/Ni电极对2,4,6-TBP的电化学去除研究

先用水热法在泡沫镍(Ni foam)表面原位生长负载MnO_(2)纳米片,再通过双电位脉冲负载了钯颗粒(Pd)。在Pd负载量为1.326 mg,电解电位为-0.9 V(vs Ag/AgCl)时,获得的Pd/MnO_(2)/Ni催化电极2 h内对2,4,6-三溴苯酚(2,4,6-Tribromophenol,2,4,6-TBP)的去除率达99.40%,该电极在酸性和碱性条件下对2,4,6-TBP的去除率均>90%。分析反应产物发现H*优先攻击2,4,6-TBP羟基对位上的溴原子。H*猝灭实验表明:利用Pd/MnO_(2)/Ni催化电极对2,4,6-TBP还原脱溴时,在低电位条件下以间接还原为主,在高电位条件下以直接还原为主;电极重复使用4次后降解效果并未发生明显降低。

电化学还原CO_(2)制备甲酸的电极材料研究

甲酸是合成许多工业产品的重要中间体,此外它还是氢气储备的重要材料。电化学还原CO_(2)是一种很有前途的制备甲酸的方法,其中电极材料起着重要作用。综述了金属、金属氧化物、金属合金和金属有机配合物对电化学还原CO_(2)制备甲酸的影响。最后,强调了开发电极材料所面临的挑战和前景。

正渗透协同电还原处理电镀含铬废水效能探究

针对电镀废水中的六价金属铬危害大、难去除的问题,探究利用正渗透(FO)技术截留浓缩模拟含铬废水的性能,结果表明:随着原料液温度和pH的增加,水通量和截留效果均提升。在FO模式、40℃、pH=8.5条件下,可达到13.73 L/(m^(2)·h)的水通量和89.12%的Cr(Ⅵ)截留率。循环实验结果表明,CTA膜处理含铬废水具有可重复利用性。电化学处理实验结果显示,经正渗透浓缩后,Cr(Ⅵ)的去除率达到62.13%,是浓缩之前的2.16倍,是普通浓缩的4.77倍。FO过程中的反向溶质扩散对还原效率提升起到正向促进作用。

铜基材料电催化还原硝酸盐制氨研究进展

人类工农业活动导致环境中硝酸盐浓度升高,利用电催化技术将硝酸盐还原合成氨(NO_(3)RA)符合“双碳”政策,可达到去除硝酸盐污染和制备氨(NH_(3))的双重目的。该文综述了铜(Cu)基材料电催化硝酸盐还原的反应机理,从反应机理角度分析了不同Cu基催化材料优势性能的起源。围绕Cu单原子、单金属Cu、Cu基合金、Cu基氧化物和Cu基金属有机框架材料的大量研究实例,对不同Cu基催化材料催化NO_(3)RA反应的性能进行归纳总结。通过对Cu基材料催化NO_(3)RA反应影响因素的分析,针对目前存在的问题展开探讨,以期为未来Cu基催化剂电催化NO_(3)RA反应的开发与实际应用提供参考。

4-氯氯苄在CO_(2)下电还原为对氯苯乙酸机制研究

对氯苯乙酸在生活生产中有重要应用,到目前为止,大多数合成方法都有烦琐的步骤或使用各种重金属催化剂,成本高且有污染.笔者提出一种在CO_(2)存在下,电化学还原4-氯氯苄制备高价值对氯苯乙酸化合物的方法,同时实现温室气体CO_(2)的利用与转化.采用4-氯氯苄在含电解质四乙基四氟硼酸铵的乙腈溶剂中恒电位电解合成对氯苯乙酸,电解产物经过核磁、质谱等表征方式确认结构.结果表明,法拉第电解效率为94.0%,转化率为92.9%.利用循环伏安法和原位FT-IR光谱电化学相结合的方法,探究了电化学还原制备对氯苯乙酸的电子转移机制.发现银电极上,CO_(2)气氛下4-氯氯苄的还原过程机制为两电子的不可逆过程,生成的一价阴离子随后进攻CO_(2)生成对氯苯乙酸.

ZrO_(2)纳米晶高效地催化电化学氮气还原成氨

通过电化学氮气还原反应合成氨,反应条件温和,反应过程中没有温室气体的排放,更满足“碳中和”和“碳达峰”的要求。但是,由于缺乏高效的电催化剂,产氨率和法拉第效率不高,限制该反应的工业应用。因此开发高效的催化剂是电化学氮气还原反应中非常关键但具有挑战性的课题。用简单易控的方法合成氧化锆纳米晶,并首次将氧化锆纳米晶作为电催化剂应用于电化学氮气还原反应中,实现了高效地氨合成。电化学测试结果表明,在0.1 mol/L的盐酸溶液中,氧化锆纳米晶的催化产氨量和法拉第效率均非常高,分别为27.93μg·h^(-1)·mg^(-1)和6.18%。

硝酸盐废水电化学选择性还原产氨的研究进展

硝酸盐(NO_(3)^(-))电化学选择性还原生成氨(NH_(3))是实现硝酸盐废水资源化处理的关键。本文综述了NO_(3)^(-)电化学还原生成NH_(3)领域的最新进展,讨论了NO_(3)^(-)电化学还原的机理,选择性生成NH 3的关键步骤是将NO_(3)^(-)转化为NO_(2)^(-)和形成N—H键;比较了不同电极材料的性能,提出了强化电极性能的调控策略,分析认为材料的晶体结构、形貌及电荷密度是影响电极性能的关键参数;阐述了电化学反应器对NO_(3)^(-)转化率和NH_(3)选择性生成的影响规律,明确了电解池的核心是避免阳极的干扰和实现NH_(3)的原位分离回收。在此基础上,提出了实现NO_(3)^(-)电化学选择性还原生成NH_(3)的重点是开发低成本、稳定高效的电极材料和研发电化学耦合原位分离NH_(3)的一体化反应器,以及开展长期大规模的实际NO_(3)^(-)废水电化学选择性还原产NH_(3)的研究。

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。

电化学反应性捕集CO_(2)研究进展与挑战

CO_(2)捕集是控制温室气体排放的关键技术之一,电化学CO_(2)还原是关闭人工碳循环的有效途径,但CO_(2)捕集和电化学CO_(2)还原过程均为能源密集型过程。过去的研究将两者视为相互独立的技术和科学领域进行发展。通过直接电解捕集介质(如胺基富液和碳酸氢盐),将上游的碳捕集和下游的电化学还原过程进行集成耦合,可以避免高能耗的捕获介质再生和CO_(2)释放环节,避免CO_(2)的运输和存储操作,降低整体工艺的运行成本,提升整个碳循环的能量效率和经济效益,为节约能源和经济高效地捕集利用CO_(2)提供了一个潜在的解决方案。总结了目前电化学反应性捕集CO_(2)的研究进展,论述了在电极和电解质方面取得的成果,讨论了影响集成电解效率的限制因素,并分析了各类因素的潜在影响机制和可能的反应路径。最后,强调了直接电化学还原捕集介质领域的主要挑战和机遇,并对未来耦合碳捕集与电化学利用过程的发展进行展望。

电化学还原TiO_2制备金属钛及反应过程的研究

采用熔盐电解法,在900℃熔盐CaCl2中以烧结TiO2为阴极,石墨棒为阳极制备出了金属钛。研究了不同温度下烧结阴极的形貌及其对电解反应的影响。结果表明:600℃下烧结4h的阴极具有良好电化学反应性能;电解过程中脱氧速度不均匀;TiO2电极的还原是由外向内,由高价向低价再到金属分步进行的;电解还原过程电流效率低约为15%。阴极的孔隙大小和颗粒尺寸会影响电极的反应速度。

硝基苯在温和条件下的电化学还原

在温和条件下 (电流密度不大于 1mA/cm2 ,pH4～ 9) ,研究电极材料对水中低浓度硝基苯电催化还原过程的影响 .结果表明 ,S1、S2和AB5电极均能将水中硝基苯高选择地还原为苯胺 ,硝基苯转化率大于 85 % ,苯胺产率大于 75 % .循环伏安和快速线性扫描研究表明 ,硝基苯在S1和S2电极上主要进行直接还原 ,而在AB5电极则主要通过电解产生的氢间接还原 .生物降解实验表明 ,电解产物可以被AN3菌有效降解 .

铁-三乙醇胺媒质中靛蓝的间接电化学还原

铁-三乙醇胺(Fe-TEA)可作为媒质用于间接电化学法还原靛蓝.本工作采用循环伏安法研究了靛蓝在Fe-TEA媒质中的电化学行为,比较了石墨、银、镍、不锈钢四种阴极材料的电催化性能,探讨了靛蓝间接电还原的机理.此外,还进行了一组L9(34)正交电解实验,通过正交实验分析了各因素对电流效率的影响.实验结果表明:在Fe(III)-TEA媒质中,以不锈钢网为阴极可实现靛蓝的间接电化学还原,最高电流效率可达44.7%.在实验所设计因素水平范围内,对电流效率影响最大的因素为Fe(III)-TEA媒质浓度.在靛蓝的间接电还原过程中存在一种靛蓝自由基,该自由基能起到靛蓝电还原的媒质作用,在一定实验条件下,该靛蓝自由基的媒质作用可以大于Fe(III)-TEA.