分级枝状铜基材料及电催化性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)


电催化是当前纳米材料领域和催化领域的研究热点,与能源和环境息息相关。自1960年代起至今,人们一直在研究通过化学合成的催化剂与人工搭建的光电化学体系模拟自然界进行人工光合作用的可能,即人工光合作用。在各种人工光合作用的体系中,太阳能驱动的电催化还原CO2因其相对高效与实用而更为研究者青睐。而电催化还原CO2由于其副产物的多样性,使得在保证高效催化生成产物的同时还保持高的选择性是一项重大的挑战。


CO2电催化还原的机理较为复杂,依据产物的不同可分为两电子、四电子、六电子以及八电子过程。并且从动力学上讲,即便是在具有较高活性的催化剂表面,这些反应速率都相当缓慢。目前已知的高选择性催化剂多为金属催化剂,并可依据其主要产物的不同分为三类:(1)产物以甲酸或甲酸盐为主的Sn、Pb和Bi等金属对CO2中间体的吸附能力较弱的金属催化剂;(2)对*COOH有较强吸附但对*CO吸附较弱,主要产物为CO的金属材料,如Au、Ag、Pb和Zn等;(3)能够将CO进一步还原为如碳氢化合物和醇类等重要工业原料的金属催化剂,而Cu为目前己知的唯一材料,这是其它金属催化剂所不能替代的。铜基金属合金在催化效率和选择性上表现出优异的性能,也得到深入的研究。例如Zheng等采用三电极电池电化学沉积法合成出Cu/Sn合金实现了在低过电位下的高效CO2还原为甲酸盐,Gurudayal等采用硅光阴极与银负载的树枝状Cu催化剂相结合,实现了在光驱动下将CO2还原为烃类,Zhang等利用泡沫Cu负载Bi2O3,提高了Cu催化剂的催化活性。CO2催化的高选择性被认为与电解质、晶体暴露晶面、金属氧化物、电子和几何结构、纳米结构等方面有关,本实验主要研究对象为材料组分和结构对选择性的影响。
氢能是21世纪最有前景的能源之一,其主要优势在于:清洁无污染、燃烧热值高、资源较丰富、适用范围广泛等。浩瀚的大海中蕴含着丰富的氢,若能够将其全部提炼出来,大约可以达到1.4×1017 t,所能产生的热量约为地球上所有矿物燃料的9000倍。实现氢能广泛应用的关键技术有两个:一方面要能够大量制取氢气;一方面要解决储氢和运输氢的问题。

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