金属及碳基材料电催化还原CO2研究进展与展望

随着全球工业化快速发展,化石燃料大量使用导致碳排放量急剧增加,造成严重环境问题。因此,寻找有效方法降低CO₂浓度以遏制全球变暖成为紧迫任务。目前,减少CO₂主要策略包括限制传统化石能源使用和将多余CO₂转化为高附加值化学品。由于经济发展仍极度依赖化石能源,简单地限制其使用存在显著困难。因此,高效转化CO₂成为高附加值化学品显得尤为关键。在众多CO₂转化技术(生物还原、热化学加氢还原、光电化学及电化学还原CO₂)中,电化学还原CO₂因其高效性和良好的工业应用前景而显得尤为突出。基于此,对CO₂转化技术、电催化还原CO₂原理、主要产物、反应途径、评价参数及目前发展迅速的金属基及非金属碳基材料电催化剂的研究现状进行了综述。金属基和非金属碳基材料的结合能够提高催化剂的催化活性,具有良好的研究前景。从新型高效低成本催化剂开发及其形貌和表面活性位点的微观调控,利用原位表征技术和密度泛函理论计算加深对反应...     

CO2合成醇酯类化学品和高分子材料研究进展

我国作为煤炭大国,燃烧化石燃料产生大量CO₂。通过化学作用将CO₂转化为能源燃料、基础化学品或高分子材料,有利于实现碳氧资源综合利用。从CO₂直接利用和间接利用的角度出发,分别综述了CO₂资源化利用研究进展。直接利用方面,重点阐述了CO₂直接加氢合成甲醇和乙醇;同时CO₂可作为羰化剂合成有机碳酸酯和高分子材料,包括碳酸二乙酯、聚碳酸酯和CO₂基可降解聚合物。在间接利用方面,重点综述了CO₂经碳酸乙烯酯的酯交换反应合成碳酸二甲酯,以及碳酸乙烯酯加氢制备甲醇联产乙二醇的研究进展。CO₂加氢直接合成甲醇催化剂主要包括铜基催化剂、贵金属催化剂,由于贵金属的成本高,廉价的Cu基催化剂研究较为广泛。CO₂加氢直接合成乙醇研究较广泛的催化剂为贵金属(Rh、Pd、Ru)基催化剂体系,还需进一步研究廉价、高活性和高稳定性的催化剂。CO₂与乙醇直接合成碳酸二乙酯(DEC)研究较多的催化剂为铈基多相催化剂,但由于生成物中水分的影响,限制了DEC的收率。环氧化物和CO₂耦合反应生成DEC过程中不产生水,可以有效克服热力学的限制,因此高能化合物与CO₂的耦合路线是高效制备DEC的有效途径。CO₂与环氧化物共聚制备聚碳酸酯材料多采用稀土三元催化剂体系,环氧化物的转化率和聚碳酸酯选择性较高,目前已经实现工业应用。CO₂通过碳酸乙烯酯与甲醇酯交换合成DMC,多使用碱性较强的催化剂和含碱性基团的离子交换树脂。CO₂经碳酸乙烯酯加氢制备甲醇和乙二醇的反应中,铜基催化剂展现出优异的催化性能。CO₂化学转化利用是CO₂碳氧资源综合利用的重要途径,将有效支撑我国未来碳中和目标实现。     

银修饰铜纳米阵列用于电催化还原CO2

二氧化碳的电化学转化为气态或液体燃料具有存储可再生能源以及减少碳排放的潜力。报道了一种Ag修饰Cu纳米阵列作为二氧化碳电化学还原催化剂的简单合成方法。首先，在铜箔上通过阳极氧化生成Cu(OH)₂纳米阵列，然后经过原位电化学还原得到Cu纳米阵列，最后通过Cu纳米阵列和Ag⁺前驱体之间的电化学置换来生成Ag修饰的Cu纳米阵列。Ag修饰铜纳米阵列增强了电化学还原二氧化碳的催化性能，相较于未经修饰的铜纳米阵列，Ag修饰Cu纳米阵列电催化还原CO₂生成C₂H₄的法拉第效率提升了158%,同时，修饰后的电极对于C₂₊产物的选择性提升了121%。其对CO₂电催化性能的提升和对氢气的抑制归因于Ag和Cu的协同催化效应。     

限碳背景下燃煤电厂对策分析与电化学催化还原技术进展

分析了目前CO₂减排的压力和趋势,以电化学催化还原为技术核心,结合燃煤排放特点,对电化学体系进行了优选,提出限碳背景下燃煤电厂的减排策略。在缓解日益严峻的CO₂减排和温室效应问题的同时,将大体量废弃的CO₂转化为具有利用价值的产品是碳捕集与利用的必由之路。对CO₂电化学催化还原技术的过程原理进行简要阐述,围绕电极、电解质、CO₂溶解性、反应器形式进行讨论,结合电化学催化还原技术特点和燃煤电厂结构特征,对大体量、低浓度CO₂电化学催化还原条件进行筛选,确定了以Cu基气体扩散电极-离子液体-连续式反应器为核心的基本电化学体系,进而提出燃煤电厂烟气中CO₂电化学催化还原对策,但在向实际应用转化过程中该技术仍面临非理想气源中杂质的影响、还原电流密度低引发的产物生成速率慢、电极寿命短、产物多样性伴随的分离及提纯难度大等障碍,为面向应用的技术发展指明了研究方向。     

光电催化二氧化碳能源化利用研究进展

CO₂能源化利用面临的主要问题是能耗问题和氢源问题。光电催化实现CO₂的能源化利用的核心为利用光催化剂的催化活性,光激发条件下产生光电子,减少外界能量输入,同时利用电催化活性提高CO₂还原产物的选择性和可控性。文章主要从光电催化的优势、反应机理、研究现状、催化剂、最新研究成果等方面综述了光电催化CO₂能源化利用的研究进展。具体阐述了光电催化体系的组成、CO₂的电子还原过程及目前存在的问题,重点探讨了光电体系的电极材料组成、电解液组分以及常见的光电催化剂类型对整个光电催化体系催化性能的影响。此外,指出了当前光电催化CO₂能源化利用方面存在的不足：转化效率低、产物选择性差等。并对光电催化实现CO₂能源化利用的研究重点,即高效光电催化剂的开发、催化过程动力学反应机理进行了展望。     

模板剂辅助水热合成CuO催化剂及其CO2电化学还原性能

利用可再生能源驱动CO₂电化学还原制增值产品可实现人工碳循环和洁净电能的高效存储,是实现碳中和战略目标的重要策略。铜基催化剂是迄今为止唯一可实现CO₂电化学还原制取多种产物的催化剂,但其面临CO₂电化学还原过电势高和产物选择性低等挑战。为提升铜基催化剂CO₂电化学还原性能,采用模板剂辅助水热合成法制备纳米CuO催化剂,探究聚乙烯吡咯烷酮(PVP)模板剂添加量对CuO催化剂微观结构和CO₂电化学还原性能的影响。结果表明,添加PVP直接影响水热合成过程中CuO晶体成核与生长。CuO催化剂的平均粒径和CO₂电化学还原性能依赖于PVP模板剂的添加量。PVP分子中的疏水碳链有利于使其保持分子斥力,抑制CuO催化剂纳米颗粒聚并。随PVP含量提高,CuO催化剂平均粒径先降低后增加,而其CO₂电化学还原性能先提高后降低。PVP质量分数为25%的CuO催化剂(CuO-PVP-25)的平均粒径最小(29.53 nm),其在-0.53 V(可逆氢电极RHE...     

结构化铜基催化剂电化学还原CO2为多碳产物研究进展

近年来,随着有关铜基催化剂价态、晶面、微观形态等结构化因素对其催化性能影响的研究不断深入,铜基催化剂电化学还原CO₂高选择性制备高附加值多碳（C₂₊）产物取得长足进展。本文系统综述了近五年来结构化铜基催化剂电化学还原CO₂生成C₂₊产物的研究报道,并分析总结了铜基催化剂表面混合价态、高活性晶面和丰富晶界的存在,以及富含限域空间的形态学结构（纳米线阵列、纳米树突和纳米多孔结构等）的构建与其电化学还原CO₂生成C₂₊产物的活性和选择性之间的构效关系。进一步提出了CO₂电化学还原领域发展的新趋势,即充分发挥各个结构化因素的协同作用,原位制备具有混合价态和丰富晶界的纳米多孔结构铜基催化剂,并在流通池中高效还原CO₂持续生成C₂₊产物。     

电催化还原二氧化碳制一氧化碳催化剂研究进展

电催化还原CO₂作为缓解能源危机和全球变暖的有效途径已成为催化领域的研究热点。然而,不同反应途径的氧化还原电位较为接近,使产物的选择性成为电催化还原CO₂所需解决的主要问题。迄今为止,在水性电解质中可实现CO₂选择性地转化为一氧化碳（CO）和甲酸（HCOOH）。本文简述了电催化还原CO₂制CO的机理,包括CO₂吸附过程、二电子转移过程和CO脱附过程。从贵金属的晶面设计、形貌调控和表面功能化对反应活性和产物选择性的影响,铁卟啉、钴酞菁和镍三嗪在还原CO₂为CO反应中的电子转移途径,非金属碳基材料中杂原子和碳基质间的耦合效应等方面,重点介绍了近年来贵金属催化剂、过渡金属络合物催化剂和非金属碳基材料催化剂的研究进展,总结了各类催化剂的优缺点。指出在三类电催化还原CO₂制CO的催化剂中,非金属碳材料具有较高的CO法拉第效率,尤其是非金属碳材料成本较低、制备简单、结构易调控,在电催化还原中具有潜在的应用优势,是有望实现商业化应用的新型催化剂的候选材料之一。     

Cu基CO2合成甲醇催化剂载体的研究进展

氧化物载体与Cu之间的相互作用、CO₂的活化位点、表面反应机理、表面反应路径直接影响CO₂催化加氢的产物分布。因此,探明不同金属–载体的相互作用和界面微观结构至关重要。本文综述了CO₂催化加氢合成甲醇Cu基催化剂载体的研究现状,重点综述了ZnO、ZrO₂、CeO₂、TiO₂这4种具有氧空位的载体,并简单总结了SiO₂、Al₂O₃、Zn-Zr、Ce-Zr、钙钛矿等其他氧化物载体。Cu与ZnO之间的强金属相互作用（SMSI）所形成的Cu/ZnO_x是主要的活性位点,对其微观结构与反应机理研究得较为充分;对Cu/ZrO₂的研究主要集中在ZrO₂晶相的影响,不同的研究者所获得的结论尚存在争议;对Cu/CeO₂的机理研究停留在反向CeO₂/Cu(111)模型表面,负载型催化剂上不同晶面的CeO₂与Cu的相互作用强度不同,并影响反应性能;Cu/TiO₂中TiO₂的影响因素较多,如晶型、晶面等,目前对其研究尚不全面。最后,本文分析并展望了CO₂加氢制甲醇催化剂载体的研究方向,未来将采用与实际催化剂一致的正向模型表面进行基础研究,并基于原位表征手段对反应过程中催化剂的结构变化进行探索,最终设计高效、低成本的多元复合物载体的Cu基催化剂。     

碳毡负载Sn气体扩散电极CO2电化学还原性能

针对CO₂电化学还原中气体扩散电极可强化CO₂的传质,基于碳毡制备了负载锡-石墨烯催化层的新型气体扩散电极,研究了CO₂反应条件、电极厚度、催化剂载量及反应电位对CO₂电化学还原性能的影响。实验结果表明：与溶解态CO₂反应条件相比,采用气相CO₂反应条件电化学还原性能更好;一定范围内增加电极厚度和催化剂载量可以增加气-液-固三相反应界面,提升CO₂电化学还原性能;随着电解电位负移,甲酸产量增加,电流效率先增大后减小;实验中使用厚度为5 mm、载量为5 mg·cm^-2的电极,在-1.8 V（vs Ag/AgCl）条件下进行电化学还原时,平均电流密度为（12.79±1.27） mA·cm^-2,甲酸电流效率达到最佳为41.55%±2.50%。     

CO2氧化乙苯脱氢制苯乙烯钒基氧化物催化剂研究进展

与现有乙苯直接脱氢工艺技术相比,CO₂氧化乙苯脱氢工艺具有缓解直接脱氢热力学平衡限制、苯乙烯选择性高、能耗低和二氧化碳资源化利用等显著优势,有望成为一条从乙苯生产苯乙烯的绿色工艺路线。为此,在总结乙苯直接脱氢反应体系和现有工业技术特点、面临的问题和发展方向的基础上,本文较为全面地分析了CO₂氧化乙苯脱氢的特点和反应机理,探讨了现有催化剂体系普遍快速失活的关键原因,表明高性能催化剂研究依然是推进CO₂氧化乙苯脱氢工业化应用的关键。鉴于钒基氧化物催化剂表现出较高的活性,成为近年来CO₂氧化乙苯脱氢相关研究关注的重点。为此,从钒物种含量及其聚集态结构、催化剂的氧化还原和酸碱性、催化剂表面积炭及其作用等角度,综合分析了活性中心结构、反应机理等方面的相关研究进展,认为孤立态V⁵⁺及其含量可能是决定钒基氧化物催化剂活性的关键,其稳定性主要取决于催化剂的氧化还原特性,而积炭对催化剂活性和稳定性的影响则与其组成和石墨化程度密切相关。基于上述认识,认为强化CO₂的高效活化、抑制V⁵⁺的深度还原等是今后钒基氧化物催化剂研究的重点发展方向,而利用移动固定床或提升管反应器等进行工艺优化,对推进CO₂氧化乙苯脱氢工业化应用具有重要的研究价值。     

CO2电催化还原制合成气研究进展及趋势

可再生电能驱动CO₂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CO₂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CO₂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CO₂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、CO₂捕集与转化系统集成、CO₂还原与阳极反应耦合等途径,提升CO₂电催化还原制合成气效率的策略。最后,探讨和展望了实现CO₂电催化还原制合成气工业化的挑战和问题。     

金属基材料电催化CO2还原的研究进展

电催化CO₂还原为具有附加价值的燃料和化学品,在缓解全球气候变暖和有效储存可再生能源方面极具潜力,近年来受到了广泛的关注。本文首先简述了水溶液中CO₂电化学还原为不同产物反应途径的研究成果,当前简单C₁产物的生成路径较为清晰,但生成多碳烃类和醇类的反应途径尚缺乏明确的证据,需要进一步探索。然后综述了用于CO₂电化学还原的金属基电催化材料的研究进展,聚焦于产物选择性、催化活性和稳定性,分别对金属纳米类、金属合金类、金属氧化物类、金属基复合物以及最近出现的单原子金属催化材料的研究现状进行了介绍。最后,展望了电催化CO₂还原的研究前景,指出不断优化电催化材料的性能是将来研究的主要方向之一,特别是有望取代Au、Ag等贵金属的单原子催化剂以及能高效生成多碳产物的铜基材料;同时,更精确的理论计算结合原位光谱表征,深入探究CO₂电化学还原反应的机理,将极大地促进高效电催化材料的开发。     

金属酞菁/卟啉分子电催化CO2还原的研究进展

大气中日益增加的CO₂浓度导致了气候变化等环境问题。将CO₂催化转化为有价值的化学品具有重要意义。利用太阳能、风能等可再生能源产生的电能,通过电化学方法将CO₂还原转化为有价值的碳基化合物是最具有应用前景的方式。分子催化剂具有明确的结构和清晰的活性位点,可实现基于机理的性能优化。综述了近年来金属酞菁/卟啉分子在电催化CO₂还原为CO的实验和理论方面的最新研究进展。首先,介绍了金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原为CO的详细机理。然后,重点介绍了如何通过分子分散和配体修饰提升金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原为CO的活性和选择性。最后,讨论了金属酞菁/卟啉分子电催化CO₂还原存在的挑战及其可能的解决方案。     

Pd-Rh/TiO2光催化CO2氧化乙烷脱氢研究

采用浸渍还原方法制备Pd-Rh/TiO₂催化剂用于常温光催化CO₂氧化乙烷脱氢制C₂H₄。研究不同Pd/Rh比催化剂的光反应性能,利用XRD、EDX-mapping、TEM、HRTEM、XPS技术表征催化剂表面和电子特性,通过UV-Vis、PL技术考察催化剂光响应性能,采用原位红外光谱技术分析Pd-Rh/TiO₂光催化CO₂氧化乙烷脱氢反应机理。研究表明,Pd-Rh双金属体系可有效提高光反应活性,光照下Pd和Rh金属之间存在内部电子转移的作用,降低了Pd表面的电子云密度,促进光生电子和空穴的分离,同时促进了C₂H₆和CO₂在材料表面的吸附。Ar替换CO₂的对比实验证明,反应中的CO₂消耗H₂,可消除催化剂表面积碳,促进C₂H₄生成。     

铋/纳米洋葱碳电极的制备及其电化学还原CO2性能研究

采用水热法制备Bi/MCNOs电极催化剂,通过XRD、SEM对Bi/MCNOs催化剂进行表征,考察了Bi/MCNOs电极电化学还原CO₂制甲酸的性能。结果表明,在水热过程中,MCNOs成功负载到Bi上,Bi/MCNOs具有更小的球状结构。Bi/MCNOs电极电化学活性表面积为Bi电极的3.4倍。Bi/MCNOs电极的电流密度是Bi电极的4倍,且具有更正的起峰电位。通过对KHCO₃电解液浓度、还原电位对电化学还原CO₂制甲酸的分析可知,KHCO₃电解液浓度为0.5 mol/L、电势为-1.6 V vs.Ag/AgCl时,电化学还原CO₂效果最好,具有较高的电流效率。由此可见,Bi/MCNOs电极具有更高的活性,可有效提高电化学还原CO₂的催化效果。     

二维NiFe-Nx-C催化剂的制备及电催化二氧化碳还原性能研究

为降低碳基催化剂Ni-N位点上CO₂的活化能垒,并解决Fe-N位点上的CO中毒问题,以NaCl为模板,采用限制溶剂生长和热解法合成了具有NiFe-N_x双活性位点的超薄二维碳基催化剂(ZNF-900)。结果显示：ZNF-900具有超高的电催化CO₂还原生成CO的选择性(FE_CO>97%)和电流密度(j_CO=37.3 mA·cm^-2)。通过XPS、Raman等表征和EIS、Tafel斜率等电化学分析方法,证明Ni和Fe之间存在协同促进作用,从而促进了催化剂表面CO₂分子的吸附和CO产物的脱附。     

铟掺杂二硫化锡催化剂制备及其电催化性能研究

电催化二氧化碳减排(CO₂RR)通过将可再生能源转化为增值燃料和化学品,是实现可持续能源经济和全球气候变化目标最有潜力的途径之一。采用简单易行的水热法合成了不同掺杂比例的In-SnS₂催化剂,对催化剂结构进行表征以及测试电催化CO₂还原性能,对比了不同掺杂量In-SnS₂催化剂对CO₂RR的影响。结果表明,元素In的掺杂调节了Sn元素的电子结构,促进CO₂活化过程;掺杂量也是影响催化剂电化学活性的重要因素之一,其中原子含量为3%的In-SnS₂催化剂表现出最佳的电化学活性,在-1.2 V vs.RHE下该电极电催化CO₂为甲酸盐的法拉第效率(FE)为95.48%,且在较宽的电压范围内甲酸盐FE均在80%以上。这项工作为电催化还原CO₂领域中硫化物催化剂的开发提供了新思路。     

CO2加氢一步制二甲醚展望

CO₂加氢制二甲醚（DME）是有潜力实现CO₂资源化利用的重要途径之一。与光、电催化相比,CO₂的非均相催化转化具有转化效率高等优点,但目前CO₂加氢一步制备DME催化剂的反应活性较低、稳定性较差。本文在简要介绍CO₂加氢一步制DME的铜基双功能催化剂、复合氧化物和氮化镓催化剂的基础上,重点总结了活性中心结构和反应机理的研究进展。对于铜基双功能催化剂,CO₂加氢经甲醇中间体合成DME,其中还原态铜（Cu⁰、Cu⁺及Cu ^δ+,0<δ<2）是其催化活性中心,且还原态铜的分散度及稳定性、固体酸的性质和酸性位分布以及两类活性中心的耦合效应是决定DME收率和催化剂稳定性的关键因素。与此相反,DME是氮化镓催化CO₂加氢的初级产物。这与铜基双功能催化剂有着本质区别,属新催化剂体系。在此基础上,文章对CO₂加氢制DME的可能研究方向进行了展望,认为“二甲醚经济”更具发展潜力。     

二维沸石咪唑骨架有效催化二氧化碳电还原的研究

成功合成了2种金属有机框架材料，并探究其在CO₂电催化还原反应中的应用。结果表明，二维ZIF-L催化剂的CO₂电催化还原活性、选择性和稳定性显著高于ZIF-7。在-1.3 V（vs.RHE）时，CO法拉第效率可达78.5%,是相同电势下ZIF-7的近2倍；CO的电流密度为16.8 mA/cm²,高于文献中报道的Zn基MOFs上CO的电流密度值。二维ZIF-L催化剂独特的孔腔结构有利于CO₂的吸附，从而有效催化CO₂电还原。