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。     

二氧化碳还原技术的研究进展

本文简要地介绍了近十多年来二氧化碳的电化学及光化学还原技术的研究进展，并指出了光化学还原技术今后的研究方向。     

二氧化碳电化学还原反应器的研究进展

电化学还原二氧化碳（CO₂）可实现CO₂的资源化转化,是实现自然界“碳循环”、缓解因CO₂过度排放所引起诸多环境问题的关键技术。本文综述了CO₂电还原反应器的研究发展现状,并依据电解质的不同对比分析了各反应器的结构、传质特征及与之匹配阴极的CO₂转化活性与选择性。研究指出膜电极构型反应器是当前CO₂电还原反应器发展的主要方向,其电解质材料的优选不仅决定于其离子选择性与电导率,还需考虑电催化材料的性质与膜电极效率。最后,提出膜电极构型反应器内的过程强化技术与自支撑结构的阴极设计将成为CO₂还原研究发展的新方向。     

基于机器学习的二氧化碳电化学还原制备甲酸盐研究

系统研究了不同双金属中心催化剂催化二氧化碳电化学还原制备甲酸盐。借助机器学习,确定了反应中心金属原子序数、电负性和电离能等特征对双金属中心催化剂表面二氧化碳还原具有主要的影响。基于这些特征,通过高通量机器学习快速预测了105种双金属中心催化剂二氧化碳电还原制甲酸盐及其主要竞争反应的Gibbs自由能变,筛选出29种双金属中心催化剂更倾向于二氧化碳还原得到甲酸盐,是潜在的转化二氧化碳为甲酸盐的高性能催化材料。运用类似的方法预测了105种双金属中心催化剂表面二氧化碳还原中间体的结构,发现中间体吸附能与其吸附构型具有显著的相关关系。     

水热反应产氢及其高效还原二氧化碳产甲酸的研究进展

由二氧化碳过度排放引起的全球气候变化日益受到关注,通过二氧化碳资源化利用实现减排已成为研究热点之一。甲酸不仅是一种重要的有机化工原料,还可应用于储氢燃料电池领域。本文从二氧化碳资源化利用的背景出发,介绍了水热反应的特性,以及水作为氢源在水热条件下还原二氧化碳生产高附加值化学品甲酸的相关进展,以期为二氧化碳在光催化、电化学还原资源化利用提供新途径。     

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。     

Zn含量对ZnSnOx基催化剂电化学还原CO2制甲酸反应性能影响

CO2电化学还原制备化学品是可再生电能存贮利用的重要方式,也是降低CO2排放的重要手段。本文通过采用金属有机骨架材料ZIF-8与草酸亚锡为前驱体,制备不同Zn含量的ZnSnOx催化剂体系,并将其应用于CO2电化学还原制甲酸过程,结果表明随着Zn含量的增加,反应法拉第效率呈现先升高后降低然后在升高的趋势,在-1. 83 V恒电位电解情况下,30%ZnSnOx催化剂表现出最高的法拉第效率为53%。进一步对不同Zn量的催化剂进行结构和性质表征。结果表明,催化剂表面织构性质、化学价态、组成结构等是改变催化剂法拉第效率主要原因。对于ZnSnOx催化剂,当Sn化学价态类似时,催化剂表面织构性质是影响其反应性能的主要因素;当催化剂中Sn的化学价态等化学性质发生明显变化时,催化剂的化学性质决定了催化剂的反应性能。     

水溶液中铑卟啉固载热裂解碳电极催化二氧化碳电化学还原反应

利用循环伏安曲线及在线检测技术研究了铑原卟啉固载热裂解碳电极催化二氧化碳电化学还原反应。研究结果表明铑卟啉对二氧化碳电化学还原反应具有催化活性,在pH=3时所得主要产物为甲酸,其法拉第效率在-1.2 V时可达50%。铑卟啉催化二氧化碳电化学还原反应高度依赖于反应体系的pH值。pH=1时,氢气是唯一的产物,说明铑卟啉是较好的析氢反应催化剂。当pH=3时,钴卟啉催化二氧化碳电化学还原的产物选择性发生了极大的变化,主要产物是甲酸。综上所述,铑卟啉催化二氧化碳电化学还原反应的第一个关键中间体可能是[RhPP-H],随后CO_2插入金属氢键中形成[RhPP-COOH]中间体,再通过质子-电子耦合反应生成最终产物甲酸。     

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。     

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。     

碳载PdCo合金催化剂对甲酸的电催化氧化

用间歇式微波法制备了不同Pt：Co原子比的碳载PdCo合金催化剂（PdCo／C）,发现在酸性溶液中Pd：Co原子比2：1催化剂对甲酸的电氧化有良好的催化活性和稳定性。从H在电极表面的吸脱附峰计算出来的结果表明,催化剂中加入一定比例的金属Co能够增加催化剂的电化学比表面。     

水溶性介质中CO2电催化还原研究进展

介绍了在水溶性介质中利用电化学催化的方法还原CO2的研究现状:电催化还原机理、电极材料催化剂的分类和选择;综述了温度、电流密度以及压力等对还原选择性和法拉第效率的影响;展望了CO2电催化还原方法的研究方向和应用前景。     

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。     

钯基催化剂应用于甲酸电氧化反应的研究进展

甲酸是一种很有前途的化学储氢材料,可作为低温液体燃料电池的直接燃料。钯基催化剂作为直接甲酸燃料电池（DFAFC）阳极材料,对甲酸氧化具有良好的催化活性,能克服一氧化碳的毒化,在甲酸电化学氧化反应中主要按直接途径进行。降低贵金属含量、提高催化活性、提升稳定性是当前钯基催化材料研究领域的主要方向。主要介绍了当前研究中钯催化剂对甲酸电氧化的催化机理,综述了近5 a的钯合金催化剂制备、特殊形貌控制、碳负载对甲酸氧化活性增强的研究,对钯基催化剂的持续开发具有实际应用意义。     

CO2电催化还原产合成气研究进展

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。     

铁基催化剂光催化还原CO2研究进展

利用可再生清洁能源——太阳能,将CO₂转化为一氧化碳、甲烷、甲醇等,因同时具有提供可持续燃料和解决全球变暖问题的潜力而受到越来越多的关注。铁基材料因具有金属/半导体的特性和独特的电子结构,在光催化还原CO₂领域具有广阔的应用潜力。基于此,各种具有高催化活性的铁基催化剂已经被设计来提高光催化还原CO₂的效率。概述了近年来铁基催化剂在光催化还原二氧化碳中的研究进展,对它们的结构特征和催化活性进行了阐述和比较,最后总结了铁基催化剂在光催化还原CO₂领域中待解决的问题,并展望了未来发展的方向。     

不同体系Pd/C催化剂的制备及对甲酸的电催化氧化

采用不同体系制备了碳载Pd催化剂(Pd/C),发现在乙二醇体系中制备的Pd/C催化剂对甲酸氧化具有最负的峰电位和最低的起始氧化电位,Tafel斜率最小为155mV,并且在1h的计时电流曲线测试表明,用乙二醇体系制备的Pd/C-3催化剂具有较高的稳定电流。TEM结果可以看出,用乙二醇体系制备的Pd/C催化剂Pd粒子在活性碳表面分散得最好,Pd粒径的大小约为4～5nm。