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三相界面调控在电催化二氧化碳还原反应中的研究进展
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作者 韩子姗 邹亢 杨雪 《应用化学》 北大核心 2025年第7期901-913,共13页
电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)可高效合成高值化学品与燃料,为缓解大气CO_(2)浓度上升及可再生能源存储提供重要技术途径。本综述系统梳理了电催化CO_(2)RR中构建稳定三相界面的研究进展,重点关注增强CO_(2)传质的调控策略以及影响... 电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)可高效合成高值化学品与燃料,为缓解大气CO_(2)浓度上升及可再生能源存储提供重要技术途径。本综述系统梳理了电催化CO_(2)RR中构建稳定三相界面的研究进展,重点关注增强CO_(2)传质的调控策略以及影响膜电极/气体扩散电极体系稳定性的解决方案,并探讨了这些策略的适用范围以及对电催化CO_(2)RR性能的影响。最后,基于三相界面,进一步指出了CO_(2)RR在面向工业化应用过程中所面临的科学与技术挑战。 展开更多
关键词 二氧化碳还原反应 三相界面调控 二氧化碳传质 体系稳定性
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光热催化在二氧化碳还原反应中的原理,材料和应用 被引量:1
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作者 赵善海 王海兵 +8 位作者 李强 丁皓 钱程 汪琪 李慧玉 蒋锋 曹海静 李春鹤 朱燕艳 《新型炭材料(中英文)》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期283-304,共22页
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... 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。 展开更多
关键词 光热催化 二氧化碳还原反应 TiO_(2) MOF 异质结
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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 被引量:4
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作者 彭芦苇 张杨 +2 位作者 何瑞楠 徐能能 乔锦丽 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2023年第12期39-62,共24页
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... 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。 展开更多
关键词 电催化二氧化碳还原反应 催化剂 电解液 隔膜 反应 工业化
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一体化电极电催化二氧化碳还原研究进展 被引量:4
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作者 宋雨珂 谢文富 邵明飞 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2022年第6期17-32,共16页
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... 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。 展开更多
关键词 一体化电极 电催化 二氧化碳还原反应 结构化设计 表界面调控
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高温活性位点印迹法制备碳基单原子镍及其二氧化碳还原应用研究
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作者 梁心虹 郭宇辰 +1 位作者 程风顺 朱远蹠 《化工新型材料》 CAS 2024年第S02期338-344,共7页
利用具有分级多孔结构且导电性能优异的MOF衍生材料为碳基底,通过设计高温活性位点原子印迹法制备了碳基二氧化碳还原(ECR)催化剂。该方法的优势在于将活性较低的ZnN_(x)或氮空位(V-N_(x))转化为M-N_(x)。通过前驱体(Zn-N-C)合成时加入S... 利用具有分级多孔结构且导电性能优异的MOF衍生材料为碳基底,通过设计高温活性位点原子印迹法制备了碳基二氧化碳还原(ECR)催化剂。该方法的优势在于将活性较低的ZnN_(x)或氮空位(V-N_(x))转化为M-N_(x)。通过前驱体(Zn-N-C)合成时加入Super P进行插层,结合高温活性位点印迹制备高活性原子分散的Ni-N-C-sp ECR电催化剂。Super P可对催化剂的局部环境进行协调,并同步提升了碳基底的导电性能。结果表明:碳化后的催化剂具有丰富的孔结构和高活性。Ni-N-C-sp催化剂在-0.76V(vs.RHE)的电位范围内表现出100%的法拉第效率。同时电流密度能够达到33.2mA/cm^(2)。优异的法拉第效率和较大的电流密度表明Ni-N-C-sp催化剂在电催化ECR领域的高适用性。 展开更多
关键词 高温活性位点原子印迹法 二氧化碳还原反应 高负载 镍单原子催化剂
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MOF衍生碳基电催化剂限域催化O_(2)还原和CO_(2)还原反应 被引量:8
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作者 张小玉 薛冬萍 +5 位作者 杜宇 蒋粟 魏一帆 闫文付 夏会聪 张佳楠 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期12-31,共20页
化石燃料的大量消耗和环境的逐渐恶化导致迫切需要开发和探索有效的能源转换和存储技术.电化学是各种能源转换装置的基础和关键.设计和合成具有高催化活性的非贵金属基和非金属基催化剂是最好的选择.金属有机骨架(MOF)衍生的碳基材料具... 化石燃料的大量消耗和环境的逐渐恶化导致迫切需要开发和探索有效的能源转换和存储技术.电化学是各种能源转换装置的基础和关键.设计和合成具有高催化活性的非贵金属基和非金属基催化剂是最好的选择.金属有机骨架(MOF)衍生的碳基材料具有比表面积大、孔隙率高的特点,可以选择性地限制不同类型的金属.因此,MOF衍生碳作为催化剂载体使用时具有良好的限域效应,有利于提高催化剂的活性和稳定性.本文综合评述了MOF衍生材料在催化反应中的限域效应,并介绍了MOF衍生碳基材料在氧还原反应(ORR)和二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)电催化方面的最新进展,揭示了MOF碳基材料在电催化反应中的构效关系.最后,讨论了MOF衍生的碳基材料在ORR和CO_(2)RR电催化中的挑战和机遇,以及未来可能的解决方案. 展开更多
关键词 金属有机框架 碳基材料 限域效应 还原反应 二氧化碳还原反应 电催化剂
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氧掺杂氮化碳多孔纳米片高效光电催化CO_(2)还原制甲酸 被引量:3
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作者 王虹智 赵悦竹 +3 位作者 杨中学 毕鑫泽 王照亮 吴明铂 《新型炭材料(中英文)》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第6期1135-1144,共10页
利用CO_(2)作为可再生的碳源来生产高价值的燃料和化学品最近引起了全球的关注。在现有的CO_(2)转化方法中,光电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)是最有效和最有前景的选择之一,它可以在模拟太阳光照和低过电位条件下实现。本研究将合成的... 利用CO_(2)作为可再生的碳源来生产高价值的燃料和化学品最近引起了全球的关注。在现有的CO_(2)转化方法中,光电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)是最有效和最有前景的选择之一,它可以在模拟太阳光照和低过电位条件下实现。本研究将合成的含氧氮化碳(CN)多孔纳米片作为光电阳极,Bi_(2)CuO_(4)作为光电阴极,实现光电催化CO_(2)还原生成甲酸盐。通过改变氧源,调节CN的导电性能和光电响应性能。前驱体中氧的电负性更强,因此可以提高CN的导电性能。而焙烧气氛中的氧却通过改变能带结构对光电响应性能产生了不利影响。在最优条件下,CN的光电流密度高达587μA cm^(−2),CO_(2)还原成甲酸的活性为273.56μmol cm^(−2) h^(−1)(约为常规样品的19倍)。此外,CN样品在24 h恒定的光电流下表现出良好的稳定性。本研究为实现高效的光电催化CO_(2)还原成甲酸提供了一种新的途径,并可通过不同阴极催化剂的偶联,扩展到其他PEC反应。 展开更多
关键词 氧掺杂 化碳 光电化学 二氧化碳还原反应 甲酸
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双原子位点M-N-C电催化剂在CO_(2)还原反应中活性位点的最佳分布 被引量:2
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作者 周颖 贺培楠 +1 位作者 丰海松 张欣 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期138-146,共9页
双原子位点M-N-C催化剂是催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)性能最佳的催化剂之一.然而,目前的研究主要集中于M-N-C活性中心原子类型的调控,低估了活性位点的配位模式及分布对其催化性能的影响.本文选取典型的双原子位点M-N-C催化剂(NiFe-N... 双原子位点M-N-C催化剂是催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)性能最佳的催化剂之一.然而,目前的研究主要集中于M-N-C活性中心原子类型的调控,低估了活性位点的配位模式及分布对其催化性能的影响.本文选取典型的双原子位点M-N-C催化剂(NiFe-N-C)为研究对象,采用密度泛函理论方法探究了9种活性位点具有不同配位环境的NiFe-N-C催化剂电催化CO_(2)RR的反应机理.结果表明,随着金属原子配位数、双原子位点间距离的增加,M-N-C催化剂的稳定性、催化CO_(2)还原至CO的活性及抑制氢析出反应的选择性均呈现先升高后下降的趋势.其中,金属原子四配位且对称分布的NiFe-N-C-model 3催化剂,因其双原子位点的强相互作用表现出最优的催化性能. 展开更多
关键词 M-N-C催化剂 二氧化碳还原反应 活性位点分布 理论计算
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Cu_(13)、Cu_(12)Zr和Cu_(12)Zn团簇上CO_(2)还原反应的密度泛函理论研究 被引量:3
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作者 李杰 李慧 《燃料化学学报(中英文)》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期314-319,共6页
本研究采用密度泛函理论研究了Cu_(13)、Cu_(12)Zn和Cu_(12)Zr团簇的CO_(2)还原反应的吸附和活化能力,计算结果表明相比于Cu_(13)团簇,Cu_(12)Zr增强了对反应物和中间体的吸附能力,而Cu_(12)Zn团簇降低了对反应物和中间体的吸附能力。... 本研究采用密度泛函理论研究了Cu_(13)、Cu_(12)Zn和Cu_(12)Zr团簇的CO_(2)还原反应的吸附和活化能力,计算结果表明相比于Cu_(13)团簇,Cu_(12)Zr增强了对反应物和中间体的吸附能力,而Cu_(12)Zn团簇降低了对反应物和中间体的吸附能力。计算了Cu_(13)、Cu_(12)Zr和Cu_(12)Zn团簇上CO_(2)还原为CO的能垒为分别为0.65、0.35和0.58 eV,CO_(2)加氢生成HCOO的能垒为0.87、0.77和0.49 eV,而CO_(2)加氢生成COOH的能垒为1.67、1.89和0.99 eV。Zn和Zr元素的掺杂提高了铜团簇的CO_(2)催化还原能力,其中,表现为Cu_(12)Zr团簇有利于CO_(2)解离生成CO,Cu_(12)Zn团簇有利于CO_(2)加氢生成HCOO。 展开更多
关键词 密度泛函理论 二氧化碳还原反应 铜基合金 吸附和活化
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电催化CO_(2)还原立方体Cu_(2)O催化剂的制备及其在大面积膜电极反应器中的应用 被引量:1
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作者 刘朝龙 罗希 +2 位作者 张杨 徐能能 徐开兵 《上海大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2023年第5期991-1002,F0002,共13页
电化学二氧化碳还原反应(carbon dioxide reduction reaction,CO_(2)RR)产乙烯目前已成为电催化CO_(2)RR领域的研究重点和热点.通过简单的化学沉淀耦合化学还原保护法成功获得了富含(111)晶面的立方体结构Cu_(2)O催化剂,系统研究了其在... 电化学二氧化碳还原反应(carbon dioxide reduction reaction,CO_(2)RR)产乙烯目前已成为电催化CO_(2)RR领域的研究重点和热点.通过简单的化学沉淀耦合化学还原保护法成功获得了富含(111)晶面的立方体结构Cu_(2)O催化剂,系统研究了其在H型反应器以及零间距膜电极组件(membrane electrode assembly,MEA)反应器中的电化学性能.结果表明.富含(111)晶面的立方体结构Cu_(2)O催化剂表现出了优异的产乙烯活性;相比于H型反应器,零间距MEA反应器进行CO_(2)RR时的最佳法拉第效率(Faradaic efficiency,FE)提升了13.94%,总电流密度也基本可以满足工业化的需求(>200 mA/cm^(2));设计并组装的大面积(25 cm^(2))零间距MEA反应器在CO_(2)RR中表现出了优异的催化性能,且在槽压大于2.9 V时表现出了独特的“面积效应”.“面积效应”的出现表明零极距MEA反应器在有效面积放大时,除电极面积、电解质浓度、CO_(2)流速等关键因素的调控外,极板的流道设计、导电性优化等均可能会影响催化反应的电流密度. 展开更多
关键词 电化学二氧化碳还原反应 Cu_(2)O催化剂 (111)晶面 零间距膜电极组件反应 面积效应
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缺陷CuAg催化剂的构筑及电催化CO_(2)还原制备C_(2+)产物
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作者 井慧芳 刘毅 +5 位作者 房强 郎学磊 郝根彦 钟达忠 李晋平 赵强 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第7期156-165,共10页
通过电化学还原Ag/Cu(OH)2构筑得到了富含缺陷位点的Ag/Cu-OH催化剂,与Ag/CuO前驱体电化学还原获得的Ag/Cu-O相比,其表现出更好的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)制备C_(2+)产物的选择性.在H型电解槽(H-cell)中评估了催化剂的电催化性... 通过电化学还原Ag/Cu(OH)2构筑得到了富含缺陷位点的Ag/Cu-OH催化剂,与Ag/CuO前驱体电化学还原获得的Ag/Cu-O相比,其表现出更好的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)制备C_(2+)产物的选择性.在H型电解槽(H-cell)中评估了催化剂的电催化性能,Ag2%/Cu-OH表现出比Ag2%/Cu-O高1.5倍的乙烯(C_(2)H_(4))法拉第效率(FE)和高1.3倍的C_(2+)法拉第效率.在接近实际应用的膜电极组件(MEA)中,Ag2%/Cu-OH在高达375 mA/cm^(2)的电流密度下,表现出高达56.2%的C_(2)H_(4)法拉第效率.Ag2%/Cu-OH性能的提高不仅归因于Cu和Ag之间的协同作用,还归因于具有更多的低配位Cu缺陷位点,低配位Cu有利于*CO的吸附,进一步促进了^(*)CO二聚为C_(2+)产物. 展开更多
关键词 二氧化碳还原反应 电催化 缺陷位点 乙烯产物 C_(2+)产物
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高催化活性M-BHT(M=Co,Cu)电催化还原CO_(2)为CH_(4)的密度泛函理论研究
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作者 杨涛 姚会影 +3 位作者 李青 郝伟 迟力峰 朱嘉 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期1268-1275,共8页
具有独特电子结构和丰富催化位点的二维金属有机框架材料是具有高活性的CO2还原反应的电催化剂.本文基于密度泛函理论(DFT)计算,发现单层Co-BHT(BHT=benzenehexathiol,苯六硫醇)将CO2还原为CH4时具有很高的催化活性.吉布斯自由能变化计... 具有独特电子结构和丰富催化位点的二维金属有机框架材料是具有高活性的CO2还原反应的电催化剂.本文基于密度泛函理论(DFT)计算,发现单层Co-BHT(BHT=benzenehexathiol,苯六硫醇)将CO2还原为CH4时具有很高的催化活性.吉布斯自由能变化计算结果表明,在Co-BHT上将CO2还原成CH4的最佳反应路径为CO_(2)→^(*)COOH→^(*)CO→*CHO→^(*)CHOH→*CH→*CH_(2)→^(*)CH_(3)→CH_(4);整个反应的速度控制步骤为*CO→*CHO;速度控制步骤的吉布斯自由能变化(ΔGL)为0.66 eV,比在二维Cu-C3N4(ΔG_(L)=0.75 eV)和传统的Cu(211)表面(ΔG_(L)=0.74 eV)将CO2还原为CH4的吉布斯自由能变化都小.而在单层Cu-BHT表面的反应路径和速度控制步骤(CO2→^(*)COOH)与Co-BHT均不同,且ΔG_(L)为0.76 eV.与Cu-BHT相比,Co-BHT将CO_(2)还原为CH_(4)的ΔG_(L)更低,这可能归因于Co-BHT的d能带中心高于Cu-BHT,导致Co-BHT与中间体的相互作用更强. 展开更多
关键词 二氧化碳还原反应 二维电催化剂 密度泛函理论 电催化机理 吉布斯自由能
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改性TiO_2纳米粒子用于可见光催化反应 被引量:1
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作者 范济民 赵志换 +1 位作者 王建业 王志忠 《应用化工》 CAS CSCD 2012年第9期1517-1521,共5页
采用原位溶胶-凝胶法合成氧化钛,同时对大环配合物进行改性,得到粒径为10.89 nm的纳米级钴酞菁改性氧化钛(CoPc/TiO2)光催化剂,用于可见光下、水溶液中CO2的还原反应,可得HCHO、CH3OH、HCOOH等产物。结果表明,由于金属酞菁的存在导致TiO... 采用原位溶胶-凝胶法合成氧化钛,同时对大环配合物进行改性,得到粒径为10.89 nm的纳米级钴酞菁改性氧化钛(CoPc/TiO2)光催化剂,用于可见光下、水溶液中CO2的还原反应,可得HCHO、CH3OH、HCOOH等产物。结果表明,由于金属酞菁的存在导致TiO2粒径减小,相转变温度降低,CoPc以单体形式均匀分散于TiO2凝胶基质中,其二聚及多聚倾向大大减弱。钴酞菁固载的催化剂给电子能力较强,极大地提高了光还原效率。光反应的最佳条件为:在0.1 mol/L的NaOH溶液中,0.15 g CoPc/TiO2催化剂,三乙胺和三乙醇胺作为电子供体催化效果较好,在可见光照反应10 h后,还原产物中总有机碳最高可达2 965.3μmol/g-cat。在还原过程中CO2主要以HCO3-的形式被还原而非碳酸根离子,而且HCO3-的浓度在0.2 mol/L时还原产物量最大。 展开更多
关键词 原位溶胶-凝胶 二氧化碳还原反应 可见光催化 二氧化 钴酞菁
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Ni单原子催化剂表面CO2电还原动力学的电化学谱学解析 被引量:1
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作者 毛庆 赵健 +5 位作者 刘松 郭唱 李冰玉 徐可一 曹自强 黄延强 《高等学校化学学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第5期1058-1067,共10页
针对Ni单原子催化剂表面的CO 2电还原反应(CO 2RR),提出了以Ni为活性位点的“单中心”机理以及同时借助Ni位点还原和碳氮锚定位水解的“双功能”机理.依据稳态极化的实验结果,开展了CO 2RR的动力学解析与模型参数的敏感性分析;借助暂态... 针对Ni单原子催化剂表面的CO 2电还原反应(CO 2RR),提出了以Ni为活性位点的“单中心”机理以及同时借助Ni位点还原和碳氮锚定位水解的“双功能”机理.依据稳态极化的实验结果,开展了CO 2RR的动力学解析与模型参数的敏感性分析;借助暂态模型方程,分别获取可表达CO 2RR线性与非线性频响特征的电化学阻抗谱(EIS)与总谐波失真(THD)谱.研究结果表明,CO 2的溶解分压对CO 2RR活性影响最显著.若CO 2RR遵循“单中心”机理,Ni位点COOH ads的形成为速率控制步骤;但若为“双功能”机理,碳氮锚定位的水解与Ni位点的CO 2,ads还原同为速率控制步骤.EIS理论上可用于区分CO 2RR的“单中心”机理与“双功能”机理;与之相比,THD谱在CO 2RR的机理识别中并无优势. 展开更多
关键词 二氧化碳还原反应机理 电化学阻抗谱 非线性频响分析 总谐波失真谱
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CO_(2)和N_(2)电还原中缺陷及界面工程的最新进展 被引量:4
15
作者 陈瑶 陈存 +3 位作者 曹雪松 王震宇 张楠 刘天西 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2023年第8期56-70,共15页
实现碳氮循环是人类社会发展的迫切要求,也是催化领域的热门研究课题。在可再生能源的推动下,电催化技术引起了人们的广泛关注,且可以通过改变反应电压获得不同的目标产品。基于此,电催化技术被认为是缓解当前能源危机和环境问题的有效... 实现碳氮循环是人类社会发展的迫切要求,也是催化领域的热门研究课题。在可再生能源的推动下,电催化技术引起了人们的广泛关注,且可以通过改变反应电压获得不同的目标产品。基于此,电催化技术被认为是缓解当前能源危机和环境问题的有效策略,对实现碳中和具有重要意义。其中,电催化CO_(2)还原反应(CO_(2)RR)和N_(2)还原反应(N_(2)RR)是一种有前途的小分子转化策略。然而,CO_(2)和N_(2)均为线性分子,其中C=O和N≡N键的高解离能导致了它们高的化学惰性。此外,最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)之间的巨大能量间隙使它们具有高的化学稳定性;且CO_(2)和N_(2)的低质子亲和力使它们难以被直接质子化。另一方面,由于CO_(2)RR和N_(2)RR与析氢反应(HER)具有相近的氧化还原电位,造成其与HER之间存在竞争性关系,这也是致使催化剂在CO_(2)RR和N_(2)RR转化效率低的重要影响因素。因此,CO_(2)RR和N_(2)RR仍然面临着过电位高及法拉第效率低等问题。为了克服这些瓶颈,人们为提升CO_(2)RR和N_(2)RR电催化剂性能做出了很多努力。众所周知,电催化过程发生在催化剂表面,主要涉及质量传递和电子转移等过程。由此可见,催化剂的性能与其质量和电子传输能力密切相关,而调控催化剂表面结构可以优化活性点的质量和电子转移行为。电催化剂的缺陷和界面工程可通过表面原子工程来实现电子结构调控,对于提高气体吸附能力、抑制HER、富集气体及稳定中间产物等具有重要意义。到目前为止,所报道的各种缺陷和复合电催化剂在提高CO_(2)RR和N_(2)RR催化性能等方面均表现出巨大的潜力。在此,我们综述了CO_(2)RR和N_(2)RR中催化剂缺陷工程及界面工程的最新进展;首先讨论了四种不同的缺陷(空位、高指数晶面、晶格应变和晶格无序)对CO_(2)RR和N_(2)RR性能的影响;然后,总结了界面工程在聚合物-无机复合材料催化剂中的重要作用,并给出了典型实例;最后,展望了原子级电催化剂工程的发展前景,提出了开发和设计高效CO_(2)RR和N_(2)RR电催化剂的未来发展方向。 展开更多
关键词 缺陷 界面 纳米复合材料 二氧化碳还原反应 氮气还原反应
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Ambient CO_(2) Capture and Valorization Enabled by Tandem Electrolysis Using Solid-State Electrolyte Reactor
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作者 Yan-Bo Hua Bao-Xin Ni Kun Jiang 《电化学(中英文)》 北大核心 2025年第6期38-50,共13页
Electrocatalytic carbon dioxide reduction is a promising technology for addressing global energy and environmental crises. However, its practical application faces two critical challenges: the complex and energy-inten... Electrocatalytic carbon dioxide reduction is a promising technology for addressing global energy and environmental crises. However, its practical application faces two critical challenges: the complex and energy-intensive process of separat-ing mixed reduction products and the economic viability of the carbon sources (reactants) used. To tackle these challenges simultaneously, solid-state electrolyte (SSE) reactors are emerging as a promising solution. In this review, we focus on the feasibility of applying SSE for tandem electrochemical CO_(2) capture and conversion. The configurations and fundamental principles of SSE reactors are first discussed, followed by an introduction to its applications in these two specific areas, along with case studies on the implementation of tandem electrolysis. In comparison to conventional H-type cell, flow cell and membrane electrode assembly cell reactors, SSE reactors incorporate gas diffusion electrodes and utilize a solid electro-lyte layer positioned between an anion exchange membrane (AEM) and a cation exchange membrane (CEM). A key inno-vation of this design is the sandwiched SSE layer, which enhances efficient ion transport and facilitates continuous product extraction through a stream of deionized water or humidified nitrogen, effectively separating ion conduction from product collection. During electrolysis, driven by an electric field and concentration gradient, electrochemically generated ions (e.g., HCOO- and CH3COO-) migrate through the AEM into the SSE layer, while protons produced from water oxidation at the anode traverse the CEM into the central chamber to maintain charge balance. Targeted products like HCOOH can form in the middle layer through ionic recombination and are efficiently carried away by the flowing medium through the porous SSE layer, in the absence of electrolyte salt impurities. As CO_(2)RR can generate a series of liquid products, advancements in catalyst discovery over the past several years have facilitated the industrial application of SSE for more efficient chemicals production. Also noteworthy, the cathode reduction reaction can readily consume protons from water, creating a highly al-kaline local environment. SSE reactors are thereby employed to capture acidic CO_(2), forming CO_(3)^(2-) from various gas sources including flue gases. Driven by the electric field, the formed CO_(3)^(2-) can traverse through the AEM and react with protons originating from the anode, thereby regenerating CO_(2). This CO_(2) can then be collected and utilized as a low-cost feedstock for downstream CO_(2) electrolysis. Based on this principle, several cell configurations have been proposed to enhance CO_(2) capture from diverse gas sources. Through the collaboration of two SSE units, tandem electrochemical CO_(2) capture and con-version has been successfully implemented. Finally, we offer insights into the future development of SSE reactors for prac-tical applications aimed at achieving carbon neutrality. We recommend that greater attention be focused on specific aspects, including the fundamental physicochemical properties of the SSE layer, the electrochemical engineering perspective related to ion and species fluxes and selectivity, and the systematic pairing of consecutive CO_(2) capture and conversion units. These efforts aim to further enhance the practical application of SSE reactors within the broader electrochemistry community. 展开更多
关键词 ELECTROCATALYSIS ELECTROLYSIS CO_(2)capture CO_(2)reduction Solid-state electrolyte reactor
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电子自旋效应在电催化剂中的作用 被引量:2
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作者 李景学 于跃 +3 位作者 徐斯然 闫文付 木士春 张佳楠 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2023年第12期15-38,共24页
高效电催化剂的开发对于能源转换及储存技术的发展至关重要。自旋作为粒子的内禀性质,能够对化学反应的过程产生独特的影响。因此,调控电催化剂内部自旋状态能够有效提升催化剂整体性能。本综述首先介绍了电子自旋以及自旋调控的影响因... 高效电催化剂的开发对于能源转换及储存技术的发展至关重要。自旋作为粒子的内禀性质,能够对化学反应的过程产生独特的影响。因此,调控电催化剂内部自旋状态能够有效提升催化剂整体性能。本综述首先介绍了电子自旋以及自旋调控的影响因素,随后从热力学和动力学两方面阐述了自旋效应在电催化中的作用机理。进一步,我们综述了自旋效应在氧还原反应(ORR)、析氧反应(OER)、氮还原反应(NRR)、二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)中的最新研究进展,详细介绍了自旋调控在上述四种反应中的催化机理。同时本文总结了电子自旋的先进表征方法和自旋催化的第一性原理计算方法。最后,我们展望了自旋效应在电催化领域的发展趋势。因此,认识并了解电子自旋效应有助于加深对电催化反应过程的机制理解,指导设计高效催化剂,具有巨大的研究价值。 展开更多
关键词 自旋催化 电子自旋 电催化剂 还原反应 析氧反应 还原反应 二氧化碳还原反应
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原子数精确的金属纳米团簇在电催化领域的应用研究进展 被引量:5
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作者 庄志华 陈卫 《电化学》 CAS CSCD 北大核心 2021年第2期125-143,共19页
金属纳米团簇(MNCs)是由几个到数百个金属原子组成,其尺寸一般小于2nm。金属纳米团簇在许多催化反应中表现出高的催化活性和选择性,这与金属纳米团簇具有高的比表面积、较多暴露的活性原子,以及与金属纳米粒子(MNPs)不同的电子结构有关... 金属纳米团簇(MNCs)是由几个到数百个金属原子组成,其尺寸一般小于2nm。金属纳米团簇在许多催化反应中表现出高的催化活性和选择性,这与金属纳米团簇具有高的比表面积、较多暴露的活性原子,以及与金属纳米粒子(MNPs)不同的电子结构有关。金属纳米团簇确定的组成和结构使其成为一种新型模型催化剂,对纳米团簇的催化性能研究有利于人们深入理解催化剂结构-性质之间的关系,更利于催化剂的理性设计与发展。结合近几年国内外和本课题组在金属纳米团簇电催化领域的研究进展和现状,本文对该领域的代表性工作进行了简要综述,并对其未来在电催化领域的应用前景和需要解决的关键问题进行了展望。 展开更多
关键词 金属纳米团簇 电催化 燃料电池 水分解反应 二氧化碳还原反应
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导电金属有机框架材料在电催化中的成就,挑战和机遇 被引量:12
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作者 高增强 王聪勇 +3 位作者 李俊俊 朱亚廷 张志成 胡文平 《物理化学学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2021年第7期124-137,共14页
开发用于各种能量转化过程的新型催化剂对于满足绿色和可持续能源的需求至关重要。由于其具有可调节的晶体结构,显著的化学和物理性质以及稳定性,金属有机骨架(MOFs)已经广泛应用于电化学能量转换领域,比如CO_(2)还原反应、N_(2)还原反... 开发用于各种能量转化过程的新型催化剂对于满足绿色和可持续能源的需求至关重要。由于其具有可调节的晶体结构,显著的化学和物理性质以及稳定性,金属有机骨架(MOFs)已经广泛应用于电化学能量转换领域,比如CO_(2)还原反应、N_(2)还原反应、析氧反应、析氢反应和氧还原反应。更重要的是,MOFs具有可调节的化学环境、孔径和孔隙率,这些性质将促进反应物在多孔网络中的扩散,从而改善其电催化性能。但是,由于高的电荷转移能垒和受限的自由载流子,大多数MOFs展示了差的导电性,阻碍了其多样化应用。在先前的报道中,MOFs常被用作多孔基质来限制纳米颗粒生长或经退火处理作为共掺杂电催化剂。而导电MOFs不仅结合了传统MOFs的优点,还具有电子导电性和高电催化活性,使其无需退火处理就可以通过电子或离子途径实现导电,从而极大提高了电催化性能,这有助于拓宽其在电化学能源领域或其他方面的潜在应用。在一些催化反应中,导电MOFs的催化活性甚至超过了商业化的RuO_(2)催化剂或Pt基催化剂。本文主要总结了构建导电MOFs的机制,并概述了其合成方法,如水/溶剂热合成和界面辅助合成。此外,本文阐述了导电MOFs在电催化应用中的最新研究进展。值得一提的是,导电MOFs的形态和结构可改变底物与MOFs之间的界面接触,从而影响其催化性能,需要进一步深入研究。基于系统的合成策略,在未来可以根据各种电催化反应的需求设计合成更多的导电MOFs。高性能的导电MOF基催化剂将有望获得突破。 展开更多
关键词 导电金属有机框架 电催化 二氧化碳还原反应 还原反应 析氧反应 析氢反应 还原反应
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