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电催化二氧化碳还原(CO2RR)利用电场作用在温和的条件下将二氧化碳转化为高值化学品。将CO2RR与热力学电势较低的阳极反应耦合,可以降低槽电压,在阳极和阴极同时生成高值化学品,提高能量效率。本文介绍了CO2RR与氧化合成反应耦合策略,探究了电解池、离子交换膜等电解装置对CO2RR耦合电催化性能的影响,归纳了常用于CO2RR耦合氧化合成体系中阴阳极电催化剂的种类,重点综述了CO2RR与氯碱过程、醇类和含氮有机物氧化等典型阳极氧化合成反应耦合的最新进展。最后,针对目前存在的阳极催化剂成本高、全电解阳极产物的分离检测困难、反应物转化率低等问题,提出开发更加高效、稳定和低成本的阳极电催化剂、升级电极结构和电解装置以及拓展新型CO2RR耦合体系等是未来的研究方向。 相似文献
2.
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。 相似文献
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基于可再生能源电力将二氧化碳电化学还原(CO2RR)为高价值化学品是实现二氧化碳资源化利用的有效途径。催化剂和电解质组分对界面微环境的调控共同决定了CO2RR的催化性能。尽管在高性能催化剂的设计及制备方面已取得了实质性进展,但电解质组分对界面局部催化环境的影响,以及对CO2RR反应过程的优化机理还未得到充分认识。综述了电解质组分对CO2RR界面微环境调控的研究进展,重点围绕电解质中阳离子、阴离子、溶剂、配体以及添加剂等开展讨论,包括电解质组分对界面化学环境的影响,如界面电场、局部pH、偶极-场作用和界面水结构等,揭示电解质调控的反应机理,以及在改善催化性能中的重要作用。本文从电解质调控角度出发,为设计高催化性能电解体系提供新的研究思路,推动CO2RR领域发展。 相似文献
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基于可再生能源电力将二氧化碳电化学还原(CO2RR)为高价值化学品是实现二氧化碳资源化利用的有效途径。催化剂和电解质组分对界面微环境的调控共同决定了CO2RR的催化性能。尽管在高性能催化剂的设计及制备方面已取得了实质性进展,但电解质组分对界面局部催化环境的影响,以及对CO2RR反应过程的优化机理还未得到充分认识。综述了电解质组分对CO2RR界面微环境调控的研究进展,重点围绕电解质中阳离子、阴离子、溶剂、配体以及添加剂等开展讨论,包括电解质组分对界面化学环境的影响,如界面电场、局部pH、偶极-场作用和界面水结构等,揭示电解质调控的反应机理,以及在改善催化性能中的重要作用。本文从电解质调控角度出发,为设计高催化性能电解体系提供新的研究思路,推动CO2RR领域发展。 相似文献
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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(CO2)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(CO2RR)生产增值化学品成为研究热点。本文首先介绍了CO2RR的基本电化学反应原理;然后总结了电化学还原CO2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。 相似文献
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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。 相似文献
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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。 相似文献
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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。 相似文献
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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。 相似文献
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过渡金属-氮共掺杂炭基催化剂广泛应用于电催化二氧化碳还原反应(CO2RR)。为解决催化剂存在的催化活性及选择性问题,以乙二胺与硝酸镍发生配位反应形成的三乙二胺合镍小分子络合物作为氮源和镍源,分别以亲水氧化石墨烯及疏水炭黑为载体,得到两类镍-氮共掺杂多孔炭基催化剂。通过X射线衍射及透射电镜等手段分析了镍物种在不同处理阶段的存在形式。CO2RR性能测试表明,同一炭载体具有不同金属负载量的催化剂经过酸洗处理除去镍纳米颗粒后,一氧化碳分电流密度得到明显提升,表明原子级分散的镍物种是CO2RR的活性位点。在-0.8 V(vs.RHE),不同催化剂的一氧化碳法拉第效率均达到90%。与亲水炭材料作为载体相比,疏水炭材料为载体制备的催化剂一氧化碳分电流密度更高,这表明疏水炭载体有利于过渡金属络合物在载体骨架中的负载与分散,进而抑制后续处理过程中活性物质的损失,从而获得高活性的镍-氮共掺杂炭基电催化剂。 相似文献
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MOF-based materials have been widely explored in electrochemical CO2 reduction reactions for the production of valuable chemicals. Understanding the reconstruction of those catalysts under working conditions is crucial for the identification of active sites and clarification of reaction mechanism. Herein, a series of six N coordinated Sn-based metal-organic frameworks (Sn-N6-MOFs) are newly developed for electrochemical CO2 reduction (CO2RR). 2% Sn-N6-MOF achieves the optimal catalytic performance with a formate Faradaic efficiency of ~85% and a current density of 23 mA·cm-2 at -1.23 V vs. RHE. In-situ Raman results combined with ex-situ 119Sn Mössbauer measurements reveal the structural reconstruction of Sn-N6-MOFs during CO2RR, generating tin nanoclusters as the real active sites for CO2 electroreduction to HCOOH. 相似文献
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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。 相似文献
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CO2电催化还原产合成气是通过CO2资源化利用实现碳中和的有效途径之一,但仍存在过电位高、选择性差、难以精准调控合成气组成比例等问题。本文综述了CO2电催化还原产合成气的催化剂研究进展,包括金属催化剂、金属配合物催化剂、金属氧化物及硫化物催化剂、金属单原子催化剂以及非金属催化剂等;进一步地,概述了H型电解池、连续流电解池、固体氧化物电解池以及膜反应器电解池等电化学反应池特征。在此基础上,总结了提升CO2电催化还原产合成气效率的有效策略,包括阳极反应耦合、双活性位催化剂结构设计以及催化剂多级形貌调控等。最后探讨了CO2电催化还原产合成气领域未来的发展方向:通过机器学习辅助催化剂设计筛选;结合多尺度模拟理解电化学界面过程;利用原位表征技术探究反应机理等。 相似文献
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在工业二氧化碳加氢制甲醇过程中,硫化氢气体的引入将对该过程中使用的催化剂活性及稳定性带来负面的影响。基于此,采用微反应合成法成功制备了InZrOx和ZnZrOx锆基催化剂,并研究了在二氧化碳加氢反应中,硫化氢气体对锆基催化剂的结构性质及其催化性能的影响规律。结果表明,在T=573 K、p=3.0 MPa和GHSV=18 000 mL/(gcat·h)条件下,仅通入二氧化碳/氢气反应气时,InZrOx和ZnZrOx催化剂的二氧化碳转化率和甲醇选择性分别为7.2%、9.3%和93%、92%。在二氧化碳/氢气原料气中通入体积分数为5×10-3硫化氢气体时,InZrOx和ZnZrOx催化剂的二氧化碳转化率和甲醇选择性都降为0,这主要是因为硫化氢气体占据了氧空位,导致锆基双金属氧化物催化剂硫中毒失活。当停止通硫化氢气体时,InZrOx和ZnZrOx催化剂的二氧化碳转化率和甲醇选择... 相似文献
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Electrochemical reduction of CO2 is a novel research field towards a CO2-neutral global economy and combating fast accelerating and disastrous climate changes while finding new solutions to store renewable energy in value-added chemicals and fuels. Ionic liquids (ILs), as medium and catalysts (or supporting part of catalysts) have been given wide attention in the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR) due to their unique advantages in lowering overpotential and improving the product selectivity, as well as their designable and tunable properties. In this review, we have summarized the recent progress of CO2 electro-reduction in IL-based electrolytes to produce higher-value chemicals. We then have highlighted the unique enhancing effect of ILs on CO2RR as templates, precursors, and surface functional moieties of electrocatalytic materials. Finally, computational chemistry tools utilized to understand how the ILs facilitate the CO2RR or to propose the reaction mechanisms, generated intermediates and products have been discussed. 相似文献