【摘 要】
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近年来,煤炭、石油、天然气等化石燃料的过度使用导致CO2大量排放,已经引发了全球能源危机与环境问题,将CO2催化转化成为具有高附加值的燃料化学品已成为解决这些问题的重要途径。Cu2O基材料作为一种极具潜力的光、电催化材料,且具有地球资源丰富、环境友好、可调带隙等特性,被广泛应用于光、电催化研究领域中。本文以Cu2O基材料为研究对象,通过形貌控制、晶面调控和贵金属修饰等手段对Cu2O基材料进行结构和
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近年来,煤炭、石油、天然气等化石燃料的过度使用导致CO2大量排放,已经引发了全球能源危机与环境问题,将CO2催化转化成为具有高附加值的燃料化学品已成为解决这些问题的重要途径。Cu2O基材料作为一种极具潜力的光、电催化材料,且具有地球资源丰富、环境友好、可调带隙等特性,被广泛应用于光、电催化研究领域中。本文以Cu2O基材料为研究对象,通过形貌控制、晶面调控和贵金属修饰等手段对Cu2O基材料进行结构和表面改性,通过粉末X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM),确定所合成材料的结构组成和形貌。将合成材料应用于光、电催化CO2反应中,期望实现光、电催化CO2还原活性和选择性的提升。并结合电化学性质等表征分析结构变化与催化反应活性和产物选择性间的构效关系。本论文的主要研究工作如下:1、在已有Cu2O基材料合成方法基础上,采用湿法化学合成法,通过改变反应过程中的反应前驱体、反应溶剂等反应条件得到纳米球、截角八面体微米晶、纳米颗粒、纳米立方等不同形貌的Cu2O基材料。测定了样品在可见光条件下光催化CO2还原性能和-1.2~-1.8 V(vs RHE)宽电压范围内电催化CO2还原性能。结果表明,所制备的不同形貌的Cu2O基材料在可见光下光催化CO2还原性能均较差,生成CO产物产率仅为1μmol·g-1cat·h-1的。但各样品在电催化CO2还原反应中则均能保持在-0.5V vs RHE较低起始电位和高于80 m A·cm-2高电流密度的良好电催化CO2还原性能,主要产物为CH4、CO和C2H4,但电解电流密度和总法拉第效率差异不明显。2、选择上一章工作中(111)晶面为主要暴露晶面的截角八面体Cu2O材料为研究对象,通过调节封端剂PVP的引入量,成功合成了具有(100)晶面、(100)和(111)晶面、(111)晶面三种不同晶面暴露的Cu2O材料。测定了三种样品在可见光条件下光催化CO2还原性能和-1.2~-1.8 V(vs RHE)宽电压范围内电催化CO2还原性能。结果表明,合成的Cu2O微米晶在可见光下光催化CO2还原活性较差,仅能有不超过1.4μmol·g-1cat·h-1的CO产物产率。在电催化还原CO2反应中主要产生CH4产物,且样品的产生CH4活性随着样品(100)面的减少和(111)面的增加呈先上升后降低的趋势。其中(100)和(111)晶面共存的Cu2O微米晶具有最优的电催化产生CH4能力,法拉第效率最高可达42.1%,产率可达31843.12μmol·g-1·h-1。物相变化和电化学性质表征分析结果表明,原位生成的单质Cu可能是Cu2O微米晶催化CO2产CH4产物的关键因素,同时(100)和(111)晶面共存的Cu2O微米晶上电子的富集,提高了电催化CO2还原产生CH4的能力。该研究为通过晶面调控来提高Cu2O材料的电催化还原CO2产CH4活性提供了新依据。3、通过溶剂热还原法制备得到不同负载量的贵金属Ag辅助特定晶面的Cu2O材料。测定了样品在-1.2~-1.8 V(vs RHE)宽电压范围内电催化CO2还原性能。结果表明,不同Ag负载量Cu2O样品电催化CO2还原主要产物均为C2H4,最高法拉效率可以达到34.76%,而纯相的Cu2O样品主要产物则为CH4。Ag负载的Cu2O样品电催化CO2还原的电流密度明显提高,最高可达到160 m A·cm-2,明显高于纯相Cu2O的90 m A·cm-2电流密度。电化学活性表面积测试结果表明,单质Ag的引入可能为Cu2O样品提供更多的C2+产物生成位点,因而提升材料电催化还原CO2产C2H4的反应活性。
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