【摘 要】
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自工业革命以来,随着化石燃料的燃烧,大气中的CO2的含量在逐年增加,由此引发了诸如温室效应,能源枯竭等一系列的环境问题。电化学还原CO2由于可以在温和的反应条件下,利用电能将CO2转变成具有更高附加值的化学燃料与化学品,而成为目前解决过量排放CO2再利用最具前景的技术方法。本论文制备了纤维多孔状Zn和Ag/ZIF-8两个系列的催化剂,并将它们应用于电还原CO2反应中,研究了催化剂材料的电还原性能,
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自工业革命以来,随着化石燃料的燃烧,大气中的CO2的含量在逐年增加,由此引发了诸如温室效应,能源枯竭等一系列的环境问题。电化学还原CO2由于可以在温和的反应条件下,利用电能将CO2转变成具有更高附加值的化学燃料与化学品,而成为目前解决过量排放CO2再利用最具前景的技术方法。本论文制备了纤维多孔状Zn和Ag/ZIF-8两个系列的催化剂,并将它们应用于电还原CO2反应中,研究了催化剂材料的电还原性能,并探究了催化剂的结构、形貌、元素表面化学状态、电化学表面积等与其电还原性能的关系。首先,在-1.85 V vs SCE恒定电压下,将Zn箔(Zn foli)分别置于4种不同气体(N2,CO2,H2,CO)饱和的Zn(NO3)2溶液中,采用电沉积的方法处理300 s,制备了不同形貌的Zn催化剂。研究发现,在CO2饱和的Zn(NO3)2电解液中制备出的Zn催化剂(Zn-CO2)呈现出纤维状的多孔结构。相比于其它催化剂,纤维状多孔Zn催化剂具有最大的电化学活性表面积,其值可达19.295 m F/cm~2,是Zn foil的62倍。电化学还原CO2性能显示,纤维状多孔Zn催化剂不仅具有最大的电流密度,而且在-1.2 V vs RHE电压下CO的法拉第效率可达到73%,极大地抑制了析氢反应的进行,实现了CO2向CO的高效转化。进一步在-1.2 V vs RHE电压下进行稳定性测试,其中Zn-CO2催化剂表现出突出的稳定性,其电流密度和产物CO的法拉第效率在反应6 h内基本保持不变。通过对其反应机理的分析,认为第一步的电子转移步骤是Zn催化剂电还原CO2的速率控制步骤。此外,论文采用浸渍法制备了ZIF-8负载Ag催化剂(Ag/ZIF-8),分别考察Ag负载量和浸渍时间对催化剂结构和电化学性能的影响。扫描电子显微镜(SEM)与透射电子显微镜(TEM)表征结果显示,ZIF-8载体呈现出六面体形貌,并随Ag负载量增加,其六面体颗粒逐渐团聚成为块状。X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)的分析可以确定Ag/ZIF-8催化剂中Ag主要以单质形式存在。电化学还原CO2的结果显示,浸渍8 h且Ag负载量为20%时,催化剂在-1.35 V vs RHE电压下,产物CO的法拉第效率可以达到64.31%,在-1.25 V vs RHE电压下进行稳定性测试,可以发现,20%负载量的Ag/ZIF-8催化剂可以实现在4 h的时间内,电流密度和产物CO的法拉第效率基本不变,这体现出了20%负载量的Ag/ZIF-8催化剂的良好的稳定性。
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