酞菁铜配合物的制备及电催化还原CO2性能的研究

二氧化碳电催化还原

一种选择性、高效的电催化剂用于还原二氧化碳 摘要：使用一种选择性且高效的方式将二氧化碳转化为有用的化学品，对于可再生和可持续能源研究来说仍是一项重大挑战。银是一种很有前途的电催化剂，因为它在常温下就能有选择性的将二氧化碳转化为一氧化碳。然而，传统的多晶银电催化剂则需要较大的过电位。这里我们开发了一种高选择性的纳米多孔银电催化剂，它能够使用电化学方法将二氧化碳转化为一氧化碳，其转化效率高达92%，在中等过电位<0.5v条件下，其活性为多晶银催化剂的3000倍。与多晶银催化剂相比，纳米多孔银电催化剂具有非常高的活性，与其有非常大的电化学反应表面积（约大150倍）和本身内在高活性（约高20倍）相关。纳米多孔银的内在高活性可能是因为弯曲内表面上的中间体CO2-更稳定，其活性位点需要的电压比预期更小，以克服活化能垒所需的驱动反应。 减少由于化石燃料的燃烧产生的温室气体二氧化碳对人类社会至关重要的1-3。理想情况下，人们倾向于将发电厂，炼油厂和石化厂产生的二氧化碳通过可再生能源利用转化为燃料或其他化学品4-6。这种理想的解决方案有着重大的技术挑战，因为二氧化碳是一个完全氧化的热力学稳定的分子7-8。有必要寻找一种较高效率和选择性的合适的催化剂以降低成本9。在过去的二十年里，电催化还原二氧化碳的方法备受关注，因为所需的电力可从低成本的可再生能源如风能、太阳能和波浪中获取10-14。研究人员已经发现了能够在水电解质中利用电化学方法减少CO2的几种潜在的催化剂15-20。例如， Hori等7已经表明，在一个电压约为-0.7V（versus RHE）条件下，多晶金电催化剂可以提供的电流密度为5.0mA/cm-2，一氧化碳的效率为87％。然而，而多晶铜的选择性差，需要的电压接近-1.0V（versus RHE）才能到同样的电流密度（即二氧化碳的还原反应速率）。由于金稀少并且昂贵，所以其不适用于大规模应用。通过催化剂制造和产品分离来减少成本，寻找具有高选择性含量丰富的催化剂，并用于二氧化碳的减排过程显得尤为重要。 将CO2转化为CO对清洁能源来说是一个非常有前途的方法。一氧化碳产物可以用作费-托合成过程中的原料，一个众所周知和充分表征的过程，这种方法多年来已用于工业生产化学品以及从合成气（CO+H2）中制备合成燃料21。通过费-托合成过程中耦合催化作用将二氧化碳还原成一氧化碳来生产合成燃料和工业化学品，估计最大限度减少大气中40％的二氧化碳排放量（见22）。 银作为CO2还原电催化剂是一种很有前景的材料，因为它将二氧化碳转化为一氧化碳过程中具有良好的选择性（81％），且它的成本也远低于其他贵金属催化剂7，23。除此之外，因为银的无机性能，在恶劣的催化环境下，它比其他的均相催化剂更稳定13,18。为了利用其吸引人的特性，近来的研究注意力一直致力于开发具有更高的性能纳米银基电催化剂24。例如，Rosen等9使用银纳米粒子作为离子液体电解质中（1-乙基-3 甲基咪唑四氟硼酸离子液体 EMIM-BF4）的电催化剂，Salehi-Khojin等25研究了颗粒尺寸的影响。在170mV的过电位下，观察到电催化CO2还原为CO。然而，离子液体电解质昂贵并且对湿气敏感。开发具有高活性的基于水电解质的二氧化碳还原系统以便用做大规模应用。在这里，我们证实了纳米多孔银（NP-Ag）催化剂是能够利用电化学方法有效且有选择性的将二氧化碳转化为一氧化碳。不仅是多孔结构为催化反应提供了一个非常大的表面