CO2电化学催化还原教学课件.ppt

研究背景及意义 加氢气整合技术 CO2+H2→碳氢化合物（高温高压） 存在问题： 1、H2本身是一种清洁能源 2、高温高压存在能源上的浪费 不同预处理方法铜电极电催化还原CO2的比较研究 汇报人： 主要内容 研究背景及意义 研究内容与测试方法 实验结果讨论 下一步进度安排 研究背景及意义 研究背景及意义 Source: /wiki/CO2 72% 研究背景及意义 研究背景及意义 减少二氧化碳排放的技术？ 不能从根本解决问题 研究背景及意义 二氧化碳还原技术 微生物燃料电池技术 光催化还原技术 加氢气整合技术 电催化还原技术 研究背景及意义 能源危机时间 爆发原因 1973 阿拉伯国家不满西方国家支持以色列而采取石油禁运导致危机 1979 伊朗革命爆 1990 波斯湾战争 2004 投机炒作及美元贬 替代能源： 燃料电池 甲醇 生物燃油(玉米制酒精） 生物能 太阳能 潮汐能和风能等 Source: /wiki/ 研究内容与实验方法 研究内容 研究内容与实验方法 实验方法 质子交换膜 H+ CO2 还原产物 CE WE RE 电化学工作站 三电极体系电化学催化还原CO2 研究内容与实验方法 实验步骤 研究内容与实验方法 1、电极的制备 500℃煅烧12h Source: Christina et al. J. Am. Chem.Soc. (2012) Source: Ren et al. Elechem.Soc. (2011) 研究内容与实验方法 1、电极的制备 基底电极：纯铜电极在500℃下煅烧12h,得到Cu2O薄膜，经还原后为实验使用的基底电极。 Cu/Cu2O：在制备好的基底电极上电沉积Cu2O薄膜 采用醋酸铜体系，-0.2V恒电位沉积。 研究内容与实验方法 1、电极的制备 Cu/In/Cu2O:采用硫酸盐体系电镀In,然后再在In外层用同样方法电沉积Cu2O 500℃煅烧12h Cu2O薄膜还原 In Cu2O Cu2O 硫酸盐体系电沉积 醋酸铜体系电沉积 研究内容与实验方法 2、电解液的选择与预处理 采用0.5M Na2SO4与0.5M KHCO3 SO42-与Na+电解产物的法拉第效率高，HCO3-和K+产甲酸的速率快 预处理：电解液进行预电解 电解液进行预电解可有效缓解催化剂钝化的现象 Source: Wu et al. Elechem.Soc. (2012) Source: Hori et al. Electrochimica.Acta. (2005) 研究内容与实验方法 3、表征测试技术 表面测试技术 电化学测试技术 XRD：检测电极表面催化剂的元素信息 CV：表征催化剂对CO2的催化性能 SEM：观察电极表面微结构及催化剂尺寸 LSV：计算电子传递系数和交换电流密度 XPS：获取催化剂的内层电子信息 EIS：利用电阻抗谱图尝试分析还原机理 RDE：计算限制性步骤的电子转移 RRDE：得到每一步骤电子转移的还原产物信息 Koutecky-Levich公式： Source: Liu et al. Angew.Chem Int.Ed. (2010) 研究内容与实验方法 合成纳米催化剂 Source: Wu et al. Angew.Chem Int.Ed (2007) Source: Tan et al. Nano Lett.Vol (2007) 难点及存在问题 CO2 成键方式 C原子的两个sp杂化轨道分别与一个O原子生成两个σ键 C原子上未杂化的p轨道与sp杂化轨道成直角，从侧面同氧原子的p轨道分别肩并肩地发生重叠，生成两个∏三中心四电子的离域键。缩短了碳—氧原子间地距离，使CO2中碳氧键具有一定程度的三键特征 Source: /wiki/CO2 CO2具有热力学稳定性和动力学惰性 难点及存在问题 CO2还原过程可能的反应 CO2 + e- → CO2●- Eo = -1.90 V (1) CO2 + 2H+ + 2e - → CO + H2O Eo = -0.53 V (2) CO2 + 2H+ + 2e - → HCO2H Eo = -0.61 V (3) CO2 + 4H+ + 4e - → HCHO + H2O Eo = -0.48 V (4) CO2 + 6H+ + 6e - → CH3OH + H2O Eo = -0.38 V (5) CO2 + 8H+ + 8e - → CH4 +H2O Eo = -0.24 V (6