铜铋双金属催化剂的制备及其催化二氧化碳还原的研究

作     者：欧阳霜霜 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：迟宝珠

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：CO2 电催化还原 铜基催化剂 选择性还原 

摘      要：随着工业的发展,煤、石油、天然气等化石燃料的消耗大幅升高。过度使用化石能源导致过量的温室气体(CO)被排出,引起了各种气候变化,带来了层出不穷的环境危机,如何降低大气中CO含量的持续升高是亟须解决的问题。通过电催化还原的方法将CO转化为具有高附加值的产物被认为是一个有前景的解决方法。目前铜基材料在水溶液中将CO还原具有独特的优势,反应路径众多,催化机理复杂。研究普遍认为,CO被视为将CO还原为多碳产物过程中的关键中间体。当两个CO分子足够接近催化剂表面时,它们会发生C-C偶联反应。然而,在水溶液中,CO的溶解度较低,同时铜基催化剂对一氧化碳的吸附能力也较低。相比之下,甲酸盐作为液体产物更容易溶解在水溶液中。电极更有可能从水溶液中吸收甲酸盐,从而提高反应速率。因此,我们需要探索是否存在甲酸途径来制备多碳产物,这对于改进铜基催化剂具有重要意义。本论文通过对铜基催化剂进行改性,合成了不同种类的高效电催化剂,用于电催化还原CO,可以高选择性地将CO还原为多种高附加值的化学品。主要研究内容如下:(1)采用电沉积的方法在Cu泡沫基底上沉积Bi金属,并用于电催化CO还原制备醇类化合物。通过扫描电镜、EDS和XRD对Cu@Bi电极的形貌和结构进行了分析,结果表明,Bi成功地加载在Cu泡沫衬底上。铋块结构均匀分布在Cu泡沫表面,且形状大概为球花形、棱角清晰可见。在电解催化过后,Cu@Bi催化剂表面的Bi块形貌发生变化重组,表面结构变得粗糙,Bi元素的分布更为分散,并且与Cu元素的结合更加复杂。通过XPS分析,可以观察到Bi元素和Cu元素的价态在催化作用前后都发生了变化。催化后的Cu含量降低不少,这是由于Cu在CO电解中不断被还原所造成的,而Bi元素在CO电解过程中Bi被还原生成了Bi。在比较不同的Cu@Bi电极时发现,双金属的配比组成对催化剂的活性和醇类化合物选择性具有明显的影响。通过电沉积90 s制备的Cu@Bi电极对CO电还原为醇具有优越的催化选择性和活性,在电解电压为-0.80 V vs RHE时,反应电流密度为-27.56 m A cm,醇类最大法拉第效率可达到43.7%。该电极的显著性能归功于扩大的活性表面积和丰富的活性位点,快速的电荷转移,适当的金属氧化物/金属界面稳定了CO中间体。(2)通过水热法合成CuBiO催化剂,作为电催化CO还原为醇类化合物的阴极。通过扫描电镜、EDS对该催化剂电极的形貌和结构进行了分析,结果表明,催化剂形状为圆球状,粒径细小,是由更细小的纳米结构聚集形成的球体。通过透射电镜对该催化剂晶面进行分析,发现该催化剂具有晶界的存在。通过XRD分析,催化剂有着CuBiO和CuO的晶面,是由CuBiO和CuO组成的CuBiO/CuO催化剂。通过XPS分析,可以观察到Bi元素和Cu元素的价态峰位置在催化作用前后都发生了变化。Bi元素的价态峰位置变大,Cu元素的价态峰位置变小。从Cu LMM的图谱结合XPS价态谱分析,CuBiO/CuO催化剂中Cu的价态主要为+1价。结果表明,该催化剂在-0.90 V vs RHE的电压下电流密度为-62.72 m A cm,CO还原为醇类化合物的法拉第效率约为50%。该电极的显著性能归功于铜铋双金属的协同效应增强了CO对醇类化合物转化的选择性。