电催化还原CO2生成多种产物催化剂研究进展

电催化还原CO₂生成含碳产物技术,能有效解决CO₂过量导致的温室效应及能源短缺问题。但是,电催化还原CO₂会生成多种产物,因此,研究制备催化活性较好的高选择性催化剂是研究重点。本文简述了电催化还原CO₂的基本原理、不同还原产物的形成途径、活性中间体、速控步及活性催化剂,分析了电催化还原CO₂生成不同产物存在的问题。并且针对催化剂催化活性及催化反应过程中的这些问题,提出了提高催化剂催化活性的方法,总结了催化剂发展趋势,一般策略包括制造纳米结构材料、催化剂负载在高比表面积的载体上、杂原子掺杂、合金化、引入缺陷等,分析了这些方法通过改变电子传输等因素对催化剂活性及选择性的影响。     

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。     

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。     

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。     

铜基硫族化合物电催化二氧化碳还原制甲酸盐的研究进展

因电催化二氧化碳还原反应（CO₂ reduction reaction,CO₂RR）助于降低大气二氧化碳浓度缓解环境问题,还可以生产高附加值化学品,引起了广泛关注。甲酸盐作为二氧化碳电还原的重要产物之一,在化工、燃料电池等领域广泛应用。铜基硫族化合物（Cu_xS）由于价格便宜、催化性能优异等优点有着广阔的应用前景,基于此研究者们在纳米结构调控、电解液优化和反应气组分控制等方面展开了大量研究以提升其在电催化CO₂RR中的催化活性和甲酸盐产物选择性。主要从催化剂结构设计、催化影响要素、催化反应机理等多角度综述了近期Cu_xS在电催化CO₂RR领域的研究进展,提出了Cu_xS在CO₂RR领域中主要面临的挑战;展望了Cu_xS族催化剂作为高活性、高稳定性二氧化碳电还原催化剂的发展前景。     

铜基催化剂电还原二氧化碳选择性的调控策略

在水系电解液中利用电能直接将CO₂还原成基础化学品为CO₂资源化利用提供了一种绿色可行的策略。铜是唯一能够高效地将CO₂还原成C2+产物的金属催化剂，然而其催化产物多达16种，产物的多样性严重增加了后期产物分离的成本并大幅降低了整个电催化二氧化碳还原(eCO₂RR)系统的能量转换效率，是eCO₂RR走向工业化生产的一个重要瓶颈，因此对铜基催化剂进行合理的调控，以提高其对单一产物的选择性一直是研究的热点问题。经过30余年的发展，铜基催化剂的研究已经取得了巨大的进展，回溯近期铜基催化剂电催化CO₂还原领域的研究历程，本文综述了电催化二氧化碳还原的反应原理、反应路径和针对不同产物的调控策略，着重总结了提高铜基催化剂对单一产物选择性的设计策略和设计方法，最后展望了铜基催化剂面临的挑战和未来的发展方向。     

Cu基纳米材料电催化还原CO2的结构-性能关系

通过电催化方法,在常温、常压下将CO₂还原为高附加值化学品,是解决目前能源短缺和环境污染问题的理想选择之一。铜基材料是目前被证实的还原CO₂生成烃类、醇类等高附加值产物的最有效非均相电催化剂,因此受到国内外研究者的广泛关注。综述了纳米Cu材料在电催化还原CO₂领域的研究进展,重点阐述催化剂结构（晶界、表面结构与晶面、孔结构等）与性能关系,并讨论了测试条件如传质、局部pH对催化性能的影响,最后论述了该领域目前存在的问题和未来发展趋势。     

热助光催化CO2还原研究进展与展望

光热催化是一种极具前途的CO₂还原策略,可利用太阳光谱的广泛吸收来激发热化学和光化学过程的结合,从而协同推动催化反应的进行,使CO₂在较为温和的条件下实现高效转换。作为光热催化的一种,在光催化中引入热能,可提高太阳光利用率,促进载流子的激发和分离,加快反应分子扩散,提升反升性能。对当前光热催化CO₂还原的概念和原理进行分类,并对热助光催化还原CO₂反应的研究现状进行总结。基于反应产物的差异,介绍热助光催化反应的催化剂选择、反应条件和反应机理,同时介绍了该类反应试验过程中关键的局部测温技术,最后对热助光催化CO₂还原技术的发展进行了展望,未来的研究重点应是提升CO₂转化率和产物选择性,同时利用先进的原位表征技术和理论计算对反应机理进行探究。     

MoS2光电催化剂活性位点的优化和效能研究进展

MoS₂是一类典型的后石墨烯二维材料,具有优异的光电性能及良好的化学稳定性,是近年来被广泛研究的一类新型光电催化剂,有关其催化活性位点的构效关系和反应机理是目前的研究热点。本文介绍了MoS₂的结构特性和活性位点分布,重点归纳分析了近年来有关MoS₂活性位点的构筑方法,包括利用降低维度、晶相调控、特殊形貌设计和非晶化等方法对MoS₂本体进行改造,以及采用原子掺杂、缺陷工程的方式对MoS₂进行协同修饰。通过对催化性能及反应机理的研究,表明这些方法能有效提高MoS₂的催化性能。最后,结合研究现状对目前存在的挑战和研究方向进行了分析总结,指出在MoS₂上构造有序分布的活性位点并平衡其稳定性以及催化性能的构效关系是未来MoS₂在光电催化领域中的研究重点。     

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CO₂排放量的持续上升。为有效应对这一环境挑战,电催化CO₂还原(CO₂RR)技术应运而生,并迅速成为研究热点。该技术不仅可将CO₂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CO₂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CO₂RR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CO₂RR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CO₂RR技术的发展前景进行展望,并分析当前面临的挑战。     

热增强的光催化二氧化碳还原技术

利用太阳光驱动二氧化碳（CO₂）催化转化合成燃料是缓解能源危机和降低温室效应的理想途径。然而,当前面临的主要挑战在于CO₂固有的化学稳定性使得光催化反应的转化效率低下。热量被认为是促进催化转化反应过程的重要推动力,可以有效提升光催化转化的效率。本文综述了不同形式的热增强光催化在CO₂还原生产燃料方面的应用,包括外加热源的光催化CO₂还原、光热效应促进的光催化CO₂还原以及等离激元增强的光催化CO₂还原体系。文章指出：热增强的光催化技术继承了光催化的高选择性和热催化的高反应活性的优势,实现了CO₂还原反应的高效进行。具体分析如下：外加热源主要通过直接加热装置或者聚焦太阳光能实现,产物的生成效率明显增强,选择性影响不大;光热效应发挥着局部提高催化剂反应温度的作用,使能量利用效率更高,大幅度降低CO₂还原反应所需的能量;等离激元效应除了发挥光热效应的作用,同时兼备增强光吸收、促进载流子分离和加速表面反应动力学的作用。文章最后指出,通过对反应机理进行深度研究,合理调控反应体系的反应条件,将极大促进热增强的光催化CO₂还原技术发展,为CO₂利用提供有效手段。     

CO2化学转化研究进展概述

CO₂的化学转化以获得具有经济价值的能源或化学品为目标,可实现CO₂的资源化循环利用,是解决中国碳排放问题的理想方式之一。但由于CO₂极其稳定且转化路径复杂,导致其转化率低且产物选择性不佳。开键还原和不变价化合是CO₂化学转化的两条基本路径。在开键还原方面,CO₂加氢还原已有工业示范装置报道,但单程转化率较低且选择性不足;而CO₂光电还原目前尚处于实验室研发阶段。在化合转化方面,可将CO₂转化合成为碳酸酯/聚碳酸酯,或通过矿化过程实现CO₂的转化与利用,但反应系统的转化效率以及转化过程的经济性仍有待提高。在此背景下,科技部2016年启动了“基于CO₂高效转化利用的关键基础科学问题”国家重点研发计划项目。在未来的研究工作中,将阐明CO₂光电还原和加氢还原的微观动力学机制与能量传递路径,建立更加可控的催化剂制备方法,实现CO₂还原新途径与新技术的突破;研究CO₂与离子液体相互作用机制、催化转化过程及介质强化反应-传递耦合规律;揭示非碱性矿活化CO₂过程的相变规律和矿化反应原理,为CO₂转化与利用的大范围推广奠定基础。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

CO2光热催化还原研究进展

CO₂光热催化转化是一种新型的CO₂利用技术,该过程绿色、经济且无须额外能量输入,是当下的热门研究领域之一。本文主要总结了CO₂光热催化转化领域的最新研究进展,介绍了基于光热转化的光热催化剂设计方法,同时从光热催化机理出发解析了CO₂还原反应的光热催化剂构建策略,并揭示了CO₂还原反应中的光热协同耦合机制,为光热催化剂的设计以及CO₂的高效转化和利用提供参考。     

氧化钨（WO3）薄膜光电催化性能的改善及应用

半导体WO₃具有较小的禁带宽度和良好的稳定性,对可见光具有较强的吸收,在光催化和光电催化领域具有广泛的用途。然而,单一WO₃薄膜仍然存在着光生电子-空穴复合率高、光电催化活性与能量转换效率偏低等问题。本文从WO₃薄膜光电催化性能的改善及应用两个方面对近年来的研究进行了综述。在WO₃薄膜光电催化性能的改善方面,分别从有序纳米结构的构建、离子掺杂与表面修饰进行总结。同时,也归纳总结了WO₃薄膜作为光电极在分解水制氢、光电催化还原CO₂和降解有机污染物等方面的应用,并提出了WO₃薄膜在光电催化过程中存在的问题,指出WO₃有序纳米异质结的构建是提高WO₃薄膜光电催化活性的有效方法。WO₃薄膜光电极的规模制备、廉价助催化剂的使用、光电极的稳定性与耐蚀性是其实际应用过程中需要解决的问题。     

Effects of identities of supports on Fe-based catalyst and their consequences on activities of CO2 hydrogenation to olefins

The direct synthesis of olefins by CO₂ hydrogenation with iron-based catalysts is one of the best ways to achieve CO₂ emission reduction and CO₂ conversion and utilization. At present, the CO₂ hydrogenation activity and structural strength of the iron-based catalysts are still relatively low during CO₂ hydrogenation process, which has become an important challenge for the industrialization of CO₂ hydrogenation to olefins. In this work, a series of the supported iron-based catalyst was prepared by the impregnation method to study the influence of the properties of support materials on the structure of iron-based catalysts and the reactivities of the direct synthesis of olefins from CO₂ hydrogenation. This work found that the support induced the iron species formed during the process of CO₂ hydrogenation, simultaneously affected the order degree of carbon species on the surface of iron-based catalyst, and tuned the capability of CO₂ adsorption and the activities of CO₂ activation. The results shown that the Fe-based catalyst supported on ZrO₂ exhibited the best catalytic performance for CO₂ hydrogenation to olefins at 320℃ and 2.0 MPa. The CO₂ conversion (>30%) and the selectivity of olefins in C₂—C₇ hydrocarbon products were as high as over 85%, the ratio of olefins to paraffins was 8.2, and the CO selectivity was 17.1%.     

载体对铁基催化剂结构及CO2加氢制烯烃反应性能的影响特性

铁基催化剂CO₂加氢直接合成烯烃是实现CO₂减排及CO₂转化与利用的最佳途径之一。目前铁基催化剂的CO₂加氢活性及反应过程中铁基催化剂结构强度仍然较低,成为CO₂加氢制烯烃产业化生产的重要挑战。通过浸渍法制备一系列负载型铁基催化剂,研究载体材料性质对铁基催化剂结构及CO₂加氢直接合成烯烃的影响特性。研究发现,载体可诱导铁基催化剂在CO₂加氢反应过程中形成的铁物种,同时影响铁基催化剂表面碳物种的有序度,调变对CO₂吸附及活化能力;研究结果表明ZrO₂负载的Fe催化剂展现出最佳的CO₂加氢合成烯烃催化性能,在温度320℃和反应压力2.0 MPa时,CO₂转化率>30%,C₂~C₇烃类产物中烯烃选择性高达85%以上,烯烷比为8.2,且CO选择性较低为17.1%。     

Preparation of Cu/ZrO2 catalysts for methanol synthesis from CO2/H2

Cu/ZrO₂ catalysts for methanol synthesis from CO₂/H₂ were respectively prepared by deposition coprecipitation (DP) and solid state reaction (SR) methods. There is an intimate interaction between copper and zirconia, which strongly affects the reduction property and catalytic performance of the catalysts. The stronger the interaction, the lower the reduction temperature and the better the performance of the catalysts. Surface area, pore structure and crystal structure of the catalysts are mainly controlled by preparation methods and alkalinity of synthesis system. The conversion of CO₂ and selectivity of methanol are higher for DP catalysts than for SP catalysts.     

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。