氮掺杂炭黑及其包覆镍催化剂电催化二氧化碳还原

作     者：曾清婷 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：彭峰

授予年度：2023年

学科分类：081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：电化学CO2还原反应 氮掺杂碳 镍颗粒 表面结构 酸洗 

摘      要：以可再生能源电能作为驱动力的电化学二氧化碳还原反应(ECRR)在缓解能源危机和气候问题方面具有良好的应用前景,为实现碳中和与可持续发展提供了新的方向。目前,用于ECRR的催化剂有金属催化剂、金属与非金属掺杂碳催化剂等。其中,氮掺杂碳催化剂因制备方法简便、原料低廉易得和出色的催化活性等优点,受到广泛的关注。本文以导电炭黑、甲酰胺和乙酸镍作为原料,制备了一系列用于ECRR的催化剂,对其结构与性能进行了系统研究,主要内容与结果如下:(1)以炭黑为碳源,甲酰胺为氮源,通过溶剂热和高温裂解结合的方法制备了一系列氮掺杂炭黑催化剂NCT(T为裂解温度),并对其进行了系统的结构表征分析。ECRR测试发现,NC800催化剂具有最佳的ECRR性能,在–0.86 V时,FE达到97.8%,其j 为–9.1 m A cm,CO产率达到278.2μmol hcm。此外,该催化剂在–0.86 V下12小时的电解过程中,CO的平均选择性保持在97.6%,具有良好的稳定性。采用硝酸氧化和热脱附的方法改变NC800催化剂中的氮、氧含量,结果表明,氮含量能有效提高氮掺杂碳材料的CO选择性,但过高的氧含量会抑制ECRR活性;催化剂中N/(N+O)比值与FE和j 呈正相关,并得到理论计算的支持。(2)以炭黑为碳源,甲酰胺为氮源,乙酸镍为金属源,采用溶剂热和高温裂解结合的方法得到一系列不同热解温度下的氮掺杂炭黑包覆镍催化剂Ni@NCT。采用硝酸、盐酸和硫酸对性能最佳的Ni@NC700进行酸洗,分别得到Ni@NC-N,Ni@NC-Cl和Ni@NC-S。比较发现Ni@NC-Cl的ECRR性能最佳,在–0.66～–1.16 V内具有最优的总电流密度和CO产率,在–1.16 V时总电流密度为–31.3 m A cm,此时CO产率为472.9μmol hcm;Ni@NC-N具有较高的FE,在–0.86 V时达到94.3%,但j 明显低于Ni@NC-Cl;Ni@NC-S的FE和j 最低。一系列对照实验表明,碳材料中氮掺杂对于提高CO选择性起决定作用,适当的Ni存在可增强氮掺杂碳材料的活性,Ni和N之间存在协同作用;Ni@NC-S与Ni@NC-Cl表面分别存在吸附的硫和氯,其中氯对提升ECRR性能有促进作用。毒化实验表明,表面Ni单原子对ECRR的贡献较小,活性提高的主要原因是氮掺杂碳包覆的镍颗粒;Ni@NC-Cl中的吡啶N对ECRR有重要作用。