CO2电化学催化还原

不同预处理方法铜电极电催化还原CO2的比较研究汇报人：主要内容研究背景及意义研究内容与测试方法实验结果讨论下一步进度安排研究背景及意义研究背景及意义Source:研究背景及意义研究背景及意义•减少二氧化碳排放的技术？CO2捕获贮存技术CO2转化还原技术不能从根本解决问题研究背景及意义二氧化碳还原技术微生物燃料电池技术光催化还原技术加氢气整合技术电催化还原技术研究背景及意义能源危机时间爆发原因1973阿拉伯国家不满西方国家支持以色列而采取石油禁运导致危机1979伊朗革命爆1990波斯湾战争2004投机炒作及美元贬替代能源：燃料电池甲醇生物燃油(玉米制酒精）生物能太阳能潮汐能和风能等Source:研究内容与实验方法•研究内容1、选择使用法拉第效率高的催化剂，选择性还原CO2为甲醇或甲酸2、对比分析催化剂表面微结构对还原产物和法拉第效率的影响3、通过电化学测试方法，研究讨论CO2还原的电子转移机制或机理研究内容与实验方法•实验方法质子交换膜H+CO2还原产物CEWERE电化学工作站三电极体系电化学催化还原CO2研究内容与实验方法电解液预处理电极制备电化学方法测试CV、LSV等电极表面表征•实验步骤研究内容与实验方法•1、电极的制备500℃煅烧12hSource:Christinaetal.J.Am.Chem.Soc.(2012)Source:Renetal.Elechem.Soc.(2011)研究内容与实验方法•1、电极的制备基底电极：纯铜电极在500℃下煅烧12h,得到Cu2O薄膜，经还原后为实验使用的基底电极。Cu/Cu2O：在制备好的基底电极上电沉积Cu2O薄膜采用醋酸铜体系，-0.2V恒电位沉积。研究内容与实验方法•1、电极的制备Cu/In/Cu2O:采用硫酸盐体系电镀In,然后再在In外层用同样方法电沉积Cu2OCu0Cu2O薄膜Cu0500℃煅烧12hCu2O薄膜还原InCu2OCu2O硫酸盐体系电沉积醋酸铜体系电沉积研究内容与实验方法•2、电解液的选择与预处理采用0.5MNa2SO4与0.5MKHCO3SO42-与Na+电解产物的法拉第效率高，HCO3-和K+产甲酸的速率快预处理：电解液进行预电解电解液进行预电解可有效缓解催化剂钝化的现象Source:Wuetal.Elechem.Soc.(2012)Source:Horietal.Electrochimica.Acta.(2005)研究内容与实验方法•3、表征测试技术表面测试技术电化学测试技术XRD：检测电极表面催化剂的元素信息CV：表征催化剂对CO2的催化性能SEM：观察电极表面微结构及催化剂尺寸LSV：计算电子传递系数和交换电流密度XPS：获取催化剂的内层电子信息EIS：利用电阻抗谱图尝试分析还原机理RDE：计算限制性步骤的电子转移RRDE：得到每一步骤电子转移的还原产物信息0k61-3200k21klnFkCJv)(D0.62nFCBJ1Bw1J1J1J1Koutecky-Levich公式：Source:Liuetal.Angew.ChemInt.Ed.(2010)研究内容与实验方法•合成纳米催化剂Source:Wuetal.Angew.ChemInt.Ed(2007)Source:Tanetal.NanoLett.Vol(2007)难点及存在问题•CO2成键方式•C原子的两个sp杂化轨道分别与一个O原子生成两个σ键•C原子上未杂化的p轨道与sp杂化轨道成直角，从侧面同氧原子的p轨道分别肩并肩地发生重叠，生成两个∏三中心四电子的离域键。缩短了碳—氧原子间地距离，使CO2中碳氧键具有一定程度的三键特征Source:具有热力学稳定性和动力学惰性难点及存在问题•CO2还原过程可能的反应•CO2+e-→CO2●-Eo=-1.90V(1)•CO2+2H++2e-→CO+H2OEo=-0.53V(2)•CO2+2H++2e-→HCO2HEo=-0.61V(3)•CO2+4H++4e-→HCHO+H2OEo=-0.48V(4)•CO2+6H++6e-→CH3OH+H2OEo=-0.38V(5)•CO2+8H++8e-→CH4+H2OEo=-0.24V(6)•2H++2e-→H2Eo=-0.41V(7)限制性步骤难点及存在问题Source:Schneideretal.Chem.Sco.Rev(2012)难点及存在问题•选In作为催化剂的原因–In的析氢电位高，可有效防止氢气的析出，–对CO的吸附力较强，可有效减少CO的法拉第效率–第一限制性步骤的氧化还原电位减少至-1.6V金属产物In、Sn、Hg、Pb选择性还原产物为甲酸Zn、Au、Ag产物为COCu还原为碳氢化合物、乙醇、草酸等的催化效率高Al、Ga、第八族（Pd）催化效率低难点及存在问题•Cu2O具有弱氧化性–Cu离子的氧化还原电位稍正于CO2的氧化还原电位，Cu2O先于CO2还原为Cu–氧化亚铜易被碳、氢、一氧化碳、碳氢化合物还原成金属铜•Cu2O不稳定–Cu2O在潮湿的空气中易被氧化为CuOCu2O被还原为Cu，呈现Cu的催化活性，导致催化剂失活制备好的电极可能在样品检测过程中表面物质元素信息会发生变化难点及存在问题•实验室缺少做RDE或RRDE的装置与配件–电化学工作站760D（2个月左右）–旋转圆盘转子（美国PINE公司）•无法得知CO2与金属催化剂反应时如何接触反应Cu原子表面CO2难点及存在问题Source:难点及存在问题•还原产物的采集与检测–气态还原产物主要为CO、H2、CH4、C2H4、甲醇、乙醇等，实验室无法进行气体检测–还原产物量极少，取样过程可能会存在误差•气体产物的排放•高纯CO2使用安全注意事项Henry定律：P=kx通过该定律计算气态产物中甲醇的含量研究进度安排时间事项安排6月—8月查阅文献，了解课题研究前沿，初步确定课题研究方向8月—10月根据既定方向，查阅文献，确定实验方案，实验材料及实验装置定做购买10月—12月进一步阅读文献，完善实验方案，开始实验12月—13年1月根据实验结果，处理实验数据，写文章1月—2月文章修改，确定下一实验方案3月—4月开始实验，文章撰写研究进度安排•已完成内容–实验方案确定–实验材料、实验装置购买–实验电化学技术参数确定–电极制备研究背景及意义•微生物燃料电池技术Source:Mariannaet.,Bio.Technol.(2010)发生反应:CO2+8H++8e→CH4+2H2O存在问题：1、膜污染、老化问题严重2、缺少高效菌种3、还原产物对微生物会有毒害作用研究背景及意义•光催化还原技术存在问题：1、催化剂激发后形成的电子和空穴复合率高，电子利用率低2、CO2的还原产物可能又会被形成的空穴直接氧化研究背景及意义•加氢气整合技术CO2+H2→碳氢化合物（高温高压）存在问题：1、H2本身是一种清洁能源2、高温高压存在能源上的浪费