二氧化碳电化学还原[优质PPT]
电催化还原二氧化碳知识讲解
Co、Sn、In、Bi等
甲酸
Au、Ag、Zn、Pd等 Cu、Cu-Au、Cu-Sn等
CO CO、醇、酸、烷烃等
Al、Ga、Pt、Fe等
催化效率很低
醇
金属材料——钯
3.7/6.2/10.3 nm尺寸Pd的TEM 图像和HRTEM图像
不同尺寸Pd还原CO2为CO的 法拉第效率和电流密度
Pd(111)、Pd(211)、Pd55和 Pd38还原CO2为CO的自由能
Au/CeOx界面上生成CO的法拉第效率远高于Au和Ce， 因为Au/CeOx界面促进了CO2在CeOx上的吸附和活化
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652−5655
导电聚合物、生物酶等
用吡啶盐将二氧化碳 电催化还原为甲醇
用碳酸酐酶将二氧化 碳电催化还原为甲醇
J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 11539–11551
金属/金属氧化物——Co/CoO
在四原子厚超薄钴/氧化钴纳米材料中， 氧化钴的存在提高了材料电催化还原 CO2为甲酸的活性和选择性
红线：四原子厚的部分氧化的钴层 蓝线：四原子厚的钴层 紫线：部分氧化的块状钴 黑线：块状钴
Nature.VOL 529. 7 January 2016
金属/金属氧化物——Au/CeOx
Journal of Power Sources 252 (2014) 85-89
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19969−19972
金属/金属氧化物——Cu/Cu2O
铜电极表面Cu2O的存在，可 以提高电催化还原CO2为甲醇、 甲酸等的法拉第效率和电流 密度，可以降低还原过电位
ACS Catal. 2014, 4, 3091−3095
电催化还原二氧化碳
电催化还原二氧化碳随着全球气候变化的日益严重，人类对于环境保护的重视程度也越来越高。
其中，减少二氧化碳排放是环保的重要一环。
而电催化还原二氧化碳技术的出现，为减少二氧化碳排放提供了一种新的途径。
本文将从电催化还原二氧化碳的原理、应用和未来发展等方面进行探讨。
一、电催化还原二氧化碳的原理电催化还原二氧化碳是指利用电化学反应的原理将二氧化碳还原成有用的化学品的过程。
具体来说，就是将二氧化碳和一定的电能输入到电化学反应体系中，通过电化学反应将二氧化碳还原成一些有用的化学品，如甲烷、乙醇、乙烯等。
在电化学反应中，电极是关键的组成部分。
电极的种类、形状和表面性质都会影响反应的速率和选择性。
一般情况下，电极可以分为金属电极和非金属电极两种。
金属电极一般采用铜、银、金等金属制成，而非金属电极则包括碳、氧化铟锡等。
二、电催化还原二氧化碳的应用电催化还原二氧化碳技术具有广泛的应用前景。
其主要应用领域包括以下几个方面：1. 生产化学品通过电催化还原二氧化碳技术，可以将二氧化碳还原成一些有用的化学品，如甲烷、乙醇、乙烯等。
这些化学品具有广泛的应用前景，可以用于燃料、化工、医药等领域。
2. 减少二氧化碳排放电催化还原二氧化碳技术可以将二氧化碳转化为有用的化学品，从而减少二氧化碳的排放。
这对于环境保护具有重要的意义，可以有效地减少全球温室气体的排放量。
3. 能源储存利用电催化还原二氧化碳技术可以将二氧化碳转化为化学能，从而实现能源的储存和转化。
这对于解决能源短缺和提高能源利用效率具有重要的意义。
三、电催化还原二氧化碳的未来发展电催化还原二氧化碳技术具有广泛的应用前景，但目前还存在一些技术难题和瓶颈。
主要包括以下几个方面：1. 电极材料的选择和制备电极材料的选择和制备对于反应速率和选择性有着重要的影响。
目前，研究人员正在探索新型电极材料，并通过改进制备工艺来提高电极的性能。
2. 反应机理的研究电催化还原二氧化碳的反应机理非常复杂，研究人员需要深入探索反应机理，并开发出合适的反应条件和催化剂来提高反应效率和选择性。
电催化二氧化碳还原
电催化二氧化碳还原电催化二氧化碳还原是一种具有重要研究价值的反应，它可以将二氧化碳（CO2）还原成一系列有用的有机物。
与传统的化学还原反应相比，电催化还原反应更加可控，可以改变产物的分子结构，降低能量消耗，减少污染物的产生，并且在释放的碳分子的碳原子个数上具有更多的灵活性。
电催化二氧化碳还原是重要的技术，可能带来巨大的影响。
电催化二氧化碳还原反应的机理可以分为三大部分：电子传递，电化学反应和催化反应。
在电子传递中，酶会将电子从一个活性中心传递到另一个活性中心，这样可以使CO2变成碳氢化合物，碳酸酯或其他有机物。
在电化学反应中，将CO2与质子或其他离子结合，形成含碳和氢的化合物，如碳酸盐和碳酸酯。
催化反应是负责将CO2变成有用的产物的最后一步。
在此阶段，可以使用金属离子催化剂或含量高的酶体系，它们可以把CO2变成抗菌剂、香料、药物等有用产物。
电催化二氧化碳还原具有诸多优势，如低能耗、可控性高等。
因此，它在固体、气相和液相中已经被广泛应用。
它在制备碳-碳键和碳-氢键有机物方面表现焕然一新，它可以改变有机物的分子结构，还可以利用有机物的各种芳香系结构，以及改变产物的含碳原子的个数，从而有效的利用二氧化碳。
此外，电催化二氧化碳还原有助于减少污染。
在传统的还原反应中，会产生大量的有毒污染物，而电催化还原的产物却没有这种污染物，可以让环境变得更清洁。
目前，电催化二氧化碳还原反应的研究还仍处于起步阶段，需要进一步完善技术，探索催化剂和催化体系，以及有效地促进反应速度和效率。
此外，要深入研究其反应机理，以及反应中的热力学和动力学，提出更有效率的方法，来改善反应过程中的性能。
总之，电催化二氧化碳还原是一种很有前途的研究领域，它具有可控性高，能量消耗少，污染少等诸多优点，可以有效地利用二氧化碳，改善环境污染。
因此，未来，它有望起到重要作用，为社会带来许多实际应用。
二氧化碳的电化学还原
小结
1.制备的CuO/TiO2 复合物修饰Cu电极对CO2的光电催 化还原表现较高的活性，还原的起始电位在-0.63 V。 2.制备的CuO/TiO2 复合物修饰Cu电极对CO2的光电催 化还原为羧酸类和醇类小分子有较好的选择性。 3. 制备的CuO/TiO2 复合物修饰Cu电极对CO2的光电 催化还原有较好的稳定性。
CO2 (g) + 4H+ + 4e → HCHO (aq) + H2O E0 = -0.48 V
CO2 (g) + 2H+ + 2e → CO (g) + H2O
E0 = -0.52 V
CO2 (g) + 2H+ + 2e → HCOOH (aq)
E0 = -0.61 V
2CO2 (g) + 2H+ + 2e → H2C2O4 (aq)
本文的设想和目的
利用纳米薄膜和具有特殊物理性质 的纳米复合物及催化剂修饰电极， 使得修饰电极对CO2电化学和光电化 学还原有较好的催化性。
1. CO2在CuO/TiO2-Cu修饰电极上
2.
的光电化学还原
本部分工作首先制备了CuO/TiO2复合物修 饰Cu电极，并对CO2在这种修饰电极上的 光电化学还原行为和催化活性进行了研究。
CO2电化学和光电化学还原的发展趋势
今后 CO2电化学和光电化学还原的研究将更多地集中在以下几个方面： （1）将更多地采用有机溶剂溶解CO2并且利用低温技术 （2）电极采用不同的金属，金属氧化物及合金并控制反应温度以选 择生成物 （3）利用气体扩散电极增加CO2的压强促进反应 （4）利用有机络合物多层膜修饰电极，使产物为更复杂的有机物 （5）对于光电化学还原，反应装置的设计能够大规模地聚集太阳光， 使之能充分利用光能。 （6）研究高效的分离技术，使得产物最好能及时从反应体系中分离 出来。
二氧化碳电化学还原概述
。
利用可 再生能源将Ｃ Ｏ ， 还 原成低碳燃 料和有
经济价值 的化学 品，不仅能达到ｃ Ｏ ， 减排 和保护 地 球环境 的 目的，还能将 闲散 ＿ ３ 】 。
Ａｔ ｍｏ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ＣＯ２ ａ ｔ Ｍａ ｕ ｎ ａ Ｌｏ ａ Ｏｂｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ
二 氧 化 碳电 化 学 还 原 概 述
张琪① ，许 武 韬 ① ，刘 予 宇 Ｑ ￣ ｔ ，张 久 俊① ② 竹
①上海大学理学 院，上海 ２ ０ ０ ４ ４ ４ ；②上海大 学可持续能源 研究院，上海 ２ ０ ０ ４ ４ ４
摘 要 在过去 的几十年里 ， 二氧 化碳 （ ｃ ｏ ） 电化学还原技 术的迅猛发展 越来越引起 国际国内的广泛关注。此技术可 以利 用太 阳能 、风能 、潮 汐能等可再生能 源及核电／ 水 电的弃电 ， 将温室气 体ｃ ｏ 还原 为低碳燃料和有经济 价值的化学品。这一技术 可 以促进废弃物 （ 气体 ） 利用以实现能源 储存与转换 ， 变废为 宝 ， 被认为是一种绿色环保 、有 发展潜力的Ｃ Ｏ 处置方 法。使用 的催 化剂和电解质不 同 ， Ｃ Ｏ 电化学还原过程给 出的产物也不尽相 同。本 文概 述７Ｃ ０ ： 电化学还原的原理 以及催化剂 、电解
ｔ ｔ Ｔ ］ Ｎ 拿 大工程院院士 ，研 究方 向： 电化 学、 电催化 、光 电化学 、电化 学能源储存与转换
■ ● ２４２
筮． － 褒 志 第 ３ ９ 卷 第 ４ 期－ 专 题 综 述
Ｃ Ｏ， 是 碳 的 最 高 氧 化 态 产 物 之 一 ，其 标 准 摩 尔生成 焓为一 ３ ９ ４ ． ３ ８ ｋ Ｊ ／ ｍｏ ｌ 。 它 也 是 Ｃ， 家 族 中 最 为廉 价 和 丰 富 的 碳 资源 ，其 化 学 性 质 稳 定 ， 结 构 ／ ｆ 易 被 破 坏 。 目前 ，有 很 多ＣＯ， 处置 方 法 还 在 探 ＣＯ， 电化 学 还 原 就 是 一 个 利 用 电 能 将 Ｃ Ｏ， 在 电解 池 的 阴极 上 还 原 的 过 程 ，而 ＯＨ一 在 阳极 ｆ 被 氧 化 成 氧 气 。 由于 还 原ＣＯ， 需要 的 活 化 能 较 高 ， 施 加 一 定 高 电 压 后 才 能 实 现 ， 而 作 为 阴 极 过 程
路易斯酸电催化二氧化碳还原
路易斯酸电催化二氧化碳还原
路易斯酸电催化二氧化碳还原是一种利用路易斯酸作为催化剂，通过电化学方法将二氧化碳还原为有用化合物的过程。
在这个过程中，路易斯酸作为催化剂，可以促进二氧化碳的还原反应。
同时，电化学方法提供了一个有效的能量来源，使得还原反应可以在较低的温度和压力下进行。
具体来说，路易斯酸电催化二氧化碳还原的过程可以分为以下几个步骤：
电解液中的路易斯酸与二氧化碳反应，生成相应的路易斯酸盐和碳正离子。
碳正离子在电极上发生还原反应，生成相应的有机化合物。
有机化合物在电极上进一步发生电化学反应，生成最终的产品。
需要注意的是，路易斯酸电催化二氧化碳还原的过程需要控制适当的反应条件，如温度、压力、电流密度等，以确保反应的顺利进行和产物的选择性。
此外，该过程还需要注意环保和安全性问题，避免对环境造成污染和危害。
因此，在实际应用中，需要综合考虑各种因素，选择合适
的催化剂和反应条件，以确保过程的可持续性和经济性。
电催化还原二氧化碳知识讲解
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19969−19972
金属/金属氧化物——Cu/Cu2O
铜电极表面Cu2O的存在，可 以提高电催化还原CO2为甲醇、 甲酸等的法拉第效率和电流 密度，可以降低还原过电位
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7231−7234
金属/金属氧化物——Sn/SnOx
在 Sn/SnOx体系中，由于SnOx的作用， 与Sn电极相比，虽然还原CO2的过电 位相近，但反应电流密度高出数倍
J. Am. Chem.Soc. 2012, 134, 1986−1989
Electrochem. Solid-State Lett.,2011, 14, E9–E13
面临的挑战： 1.催化活性低； 2.产物选择性低； 3.催化剂稳定性/耐久性不足； 4.对机理的理解研究不足； 5.电极和系统未能优化到可以用于实际。
未来研究的方向： 1.探索新的电催化剂以提高催化活性，优化金属电极的形态、尺寸、结 构等，制备金属/金属、金属/金属氧化物等复合材料； 2.通过实验和理论模拟进一步理解反应机理； 3.优化电极、反应器和系统设计以应用于实际。
J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288−4291
金属材料—铜
与电抛光法和溅射法得到的 Cu 电极表面相比， Cu 纳米颗粒覆盖的表面更容易电还原 CO2生成 碳氢化合物和CO
Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 76–81
在Cu电极表面制备泡沫 铜，可以使还原CO2产 生 HCOOH的法拉弟电 流效率达到29%
电化学还原二氧化碳研究背景
电化学还原二氧化碳研究背景电化学还原二氧化碳：应对气候变化的变革性技术引言气候变化已成为我们时代最紧迫的挑战之一，促使研究人员寻求可持续且创新的方法来减少温室气体排放。
二氧化碳（CO2）是主要的温室气体，发展高效且可扩展的CO2转化技术对于缓解气候变化至关重要。
电化学还原二氧化碳（ECR-CO2）是一种有前途的技术，它利用电能将CO2转化为有价值的化学品，从而提供一举两得的解决方案，既减少了CO2排放，又产生了可再生燃料和原料。
ECR-CO2技术的原理ECR-CO2涉及在阴极上施加电势，从而促进CO2和质子（H+）还原成各种化学产物，例如甲醇、乙醇和一氧化碳（CO）。
该过程发生在电解池中，电解池由阴极、阳极和电解质组成。
阳极通常由惰性金属（如铂或金）制成，而阴极可以由各种材料制成，包括铜、银和碳基材料。
催化剂设计：ECR-CO2的关键因素催化剂在ECR-CO2过程中起着至关重要的作用，选择合适的催化剂可以显着提高CO2还原反应的效率和产物选择性。
理想的ECR-CO2催化剂应具有以下特性：高活性和稳定性针对特定产物的选择性对杂质和剧毒化合物的耐受性反应条件优化：影响ECR-CO2性能的因素除了催化剂设计外，反应条件也对ECR-CO2性能产生重大影响。
关键因素包括：电位：电位的变化会影响CO2还原反应的动力学和产物分布。
电解质：电解质的性质，例如pH值和离子强度，会影响催化剂的活性和产物选择性。
CO2浓度：CO2浓度会影响反应速率和产物分布。
ECR-CO2技术的应用ECR-CO2技术在应对气候变化、能源安全和可持续化学领域具有潜在的广泛应用。
一些关键应用包括：二氧化碳捕获和利用（CCU）：ECR-CO2可以将废气或大气中的CO2转化为有价值的化学品，例如甲醇，乙醇和一氧化碳。
可再生燃料生产：ECR-CO2可以将CO2转化为液态燃料，例如甲醇和乙醇，为交通和工业部门提供可持续的替代品。
原料生产：ECR-CO2可以产生各种化学原料，例如乙烯和丙烯，可用于制造塑料、纺织品和药物。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Saveant 等人分别在一价离子（Li+，Na+）和二价离子（Mg2+，Ga2+，Ba2+）的电解 质中用铁(0)卟啉作为催化剂进行了 CO2 电还原。 通过实验他发现不同电解质中催化活性的顺序为 Mg2+=Ga2+>Ba2+>Li+>Na+。
3 镍（Ni）、铁（Fe）、铂（Pt）等
这类金属催化剂由于自身析氢过电位较低，所以主要产物为 H2；
4 铜（Cu）
研究表明铜箔在不同的条件下可以产生 16 种不同的 CO2 电还原产物，并且因为其 独特的电催化性能在反应过程中可以吸附和转化中间产物*CO，所以产物主要以 甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）为主。
02 金属氧化物表现出更好的催化活性 MoO2 在乙腈和二甲基甲酰胺等有机溶剂中能够表现出 较强的 CO2 还原催化活性，Oh 等人发现 MoO2 在乙腈 与四丁基六氟磷氨酸（TBAPF6）中 CO2电还原的初始 点位小于 0.2 V，并且反应在-20℃下比在室温下表现出 更强的催化活性。
Chen Y., Kanan M. W. Tin oxide dependence of the CO2 reduction efficiency on tin electrodes and enhanced activity for tin/tin oxide thin-film catalysts [J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(4): 1986-1989.
02 2 氧化金属催化剂
01 金属氧化物比金属单质拥有更高的电流密度和 基底上电沉积了一层 SnOx 薄膜， 通过测试发现相较于纯的锡箔拥有更独特的催化性能，与在表 面自然生长一层 SnOx 的 Sn 电极相比前者的电流密度是后者的 8 倍，并且法拉第效率也达到了 4 倍的提升。
02 1 金属催化剂 ,Mn
Mn分子催化剂通过与芳环连接的方法固定在碳纳米管上，制备具 有催化活性的电极．在这种准非均相催化系统中，CO2在0.36 V的 起始过电位被有效地还原，并且在0.55 V时能够实现超过1000次的 催化循环．在该电还原过程中，高催化剂负载时主要产物为CO，而 采用较低的催化剂负载时，产物的主要成分为甲酸盐．此外，非均 相电还原CO2还具备合成方法简单和产物无需进一步纯化等特点， 因而在具备出色的转化效率的同时，也拥有大规模工业化应用的巨 大潜力。
将闲散的非常规能量加以储存, 缓解能源危机,且没有新的CO2排放；
利用太阳能、风能、地热能、潮汐能等可再 生能源，以及核电站、水电站低谷用电时的 弃电;
阴极反应：CO2(g)+ne-=CO HCOOH HCHO CH3OH 阳极反应：4OH--4e-=2H2O+O2
01 二氧化碳还原反应CO2RR
02 3 硫化金属催化剂
MoS2 由于储量丰富，价格低廉，易于制备及独特的电化学性能 Asadi 等人通过实验证明了 MoS2晶格边缘的活性位点可以调 高电流密度降低反应超电势。
02 4 碳掺杂催化剂
01 氮掺杂碳基催化剂 相同测试条件下反应的电流密度要高于银电化学催化剂， 并且在-0.573 V.vs.SHE 对于 CO 的 FE 达到了 95%。
产物为甲烷
CO2还原生成CH4涉及八电子过程，所以会 形成如乙烯，氢气，一氧化碳和甲酸等多种 副产物;
02
催化剂
02 1 金属催化剂
1 汞（Hg）、硒（Sn）、铟（In）、铋（Bi）等
反应过程中容易产生 HCOO-，产物主要以甲酸和甲酸盐为主；
2 金（Au）、银（Ag）、锌（Zn）等
这类催化剂的特点为对于 CO 的稳定性较弱，所以产物主要为 CO；
2018
二氧化碳电化学还原
Chemistrycreatestheworld,chemicalstr ansformit
徐庆岳张世贤张峰陈谦
01
CO2RR简述
02
催化剂
03
电解质
04
SOEC简介
01 二氧化碳还原反应CO2RR
燃烧化石燃料所产生的二氧化碳 （CO2），其浓度在大气与海洋中 逐年累积，由早期的 300 ppm 升 至 385 ppm（预计 2100 年接近 600 ppm）
01 二氧化碳还原反应CO2RR
CO2拥有线性对称的分子结构。分子结构中的 C=O 的长度比酮的 C=O 的共价键要短（约 0.04 Å）。独 特的分子结构使CO2 化学性质极其稳定，只能在较 为极端的条件下才能转化为其它碳类化合物，例如 高温、高压及高的过电位。
因此将 CO2 转化成可利 用的再生能源成为一种理 想选择。构建人工二氧化 碳循环系统，不仅可以降 低环境中二氧化碳的浓度， 还可以将二氧化碳转化为 可再生能源，
02 硼掺杂金刚石（BDD） 在有机电解液（甲醇和高氯酸四丁铵的混合溶 液）中对于产物甲醛的 FE 最高达到了 74%
结构多样 环境友好 比表面积大 活性位点突出
导电性能良好 物理化学性能稳定 价格低廉及储量丰富
03
CO2RR电解质
.
03
CO2RR电解质
01 水溶液
03 有机溶液
02 离子溶液
03 水溶液
01
产物为一氧化碳
CO2首先在催化剂表面发生还原吸附， 进而引发形成-COOH中间体．最后通过 另一电子质子对的进一步还原使-COOH 中间体从电极上解吸，生成最终产物CO 和H2;
产物为甲醇
从反应历程上看，关键中间体CH3O+的 质子化导致甲醇分子的最终形成;
产物为甲酸及甲酸盐
通过配体约束生长制备了4个原子厚度的超 薄Co纳米片与块状样品相比，CO2电还原过 程中纳米薄片表面的Co原子产生了更高的本 征活性和选择性在较低的过电位(0.24 V)下 产生甲酸根,生成甲酸盐的法拉第效率接 近 90％;
电催化还原二氧化碳
01 二氧化碳还原反应CO2RR
电催化二氧化碳还原反应；
CO2浓度的增加对环境造成了显著的负面 影响，使地面吸收的太阳光的热量不易散失， 导致全球变暖，进而引起两极冰川融化、海 平面上升等。
有研究表明，目前的CO2浓度即使不再增 加，靠地球的自身消化能力，也要近1 000年 才能消除从前所累计的温室效应的影响。