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自工业革命以来,化石燃料燃烧所产生的二氧化碳(CO2)排放量早已超过了其自然循环能力,导致了温室效应等一系列的全球性环境问题。为了降低空气中二氧化碳浓度和缓解能源危机,实现碳的循环利用,将二氧化碳在可再生能源作用下还原为高能量密度碳基化合物是最有前景的方法之一。其中,电化学还原二氧化碳(e-CO2RR)具有反应过程常温常压下可控、反应体系紧凑、易于规模化工业化等优点,引起了广泛关注。研究表明,铜和铜基催化剂拥有独特的将CO2还原为碳氢燃料和化学品的能力,但是该类催化剂的还原产物众多,选择性不强,其中乙烯(C2H4)作为二碳还原产物,因能量密度和商业价值远远高于甲烷(CH4)等一碳还原产物,而成为人们关注的焦点。本论文试图从增加催化剂暴露的活性位点数量和提高催化剂固有活性两方面,采用纳米结构化法、氧化法和表面修饰法的综合手段来对铜基催化剂进行改性,以获得较佳的乙烯法拉第效率和选择性。具体的研究工作分为以下两个方面:(1)为了增加催化剂暴露的活性位点数量,并改善铜基催化剂的固有活性,提升CO2电催化还原对C2H4产物的选择性,本论文结合氢气泡动态模板法和热退火表面铜氧化物来提高催化剂活性,在自制的三维多孔泡沫铜基底上制备氧化铜纳米线(CuO NWs)电极,用于高效选择性电化学还原CO2。与泡沫铜基底相比,这种新型结构的电极显示出较好的电催化活性,较高的转换效率,较优的乙烯选择性和较低的起始电位(-1.4 V vs.RHE),比泡沫铜电极低0.2 V。在标准电极为可逆氢电极(RHE)下,在-1.4 V时乙烯的法拉第效率提高到了 25.01%,电流密度为-24 mA·cm-2。此外,可能性机理分析和详细表征测试结果发现,Cu foam到CuO NWs性能提升归因于两个原因。第一,CuO NWs样品纳米结构化后高表面粗糙度带来的电化学活性比表面积的增加,从而获得了较多的活性位点。第二,CuO NWs样品氧化还原后表面具有较为丰富的氧含量激活了催化剂活性,提升了选择性。氧化态金属由于在催化剂表面具有丰富的晶界,在CO2RR条件下,氧化铜会被电还原为金属铜,这一过程活化了铜催化剂,在催化剂表面形成特定的低配位活性位点,同时阻断了竞争的氢进化反应(HER)的反应位点,这对有利于C-C耦合所需的*CO表面基团的吸附和停留是有积极意义的,因此促进了二碳还原产物(乙烯)的转化,提升了选择性。(2)为了提高催化剂的固有催化活性,本论文采用化学气相沉积法,设计了在泡沫铜基底表面原位沉积一层具有硒修饰的Cu2O NWs,在硒元素的特殊作用下,相比于CuO样品,Cu(OH)2前驱体被还原成Cu2O NWs。同时研究了该铜基复合材料对电催化还原CO2的影响规律。首先,在固定沉积条件(沉积时间)下的泡沫铜基底上,通过电化学氧化的方法,形成Cu(OH)2纳米线前驱体,然后利用化学气相沉积的方法,在热还原的过程中将硒修饰在Cu2O纳米线上制备得到三维多孔基底上的Se/Cu2O NWs复合材料。初步研究结果发现,Se/Cu2O NWs上的Se元素提高了 Pure-Cu2O NWs导电性,从而使其电催化还原CO2活性大幅提高,获得较高的法拉第效率和电流密度,另外该复合催化剂也表现出了较强的稳定性。