二氧化碳在N-甲基吡咯烷酮/四丁基高氯酸铵电解液中的电催化还原

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二氧化碳过量排放是导致全球气候变暖的主要原因。利用可再生电能将二氧化碳电还原为一氧化碳,进而合成液态燃料或增值化学品,在二氧化碳减排、碳资源化循环利用和污染物治理领域具有重要的应用前景。N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一种性能优异的电化学溶剂,也是工业上常用的二氧化碳吸收剂,具有电化学窗口宽、挥发性低和介电常数大等优点。四丁基高氯酸铵(TBAP)是常用的有机支持电解质,具有化学性质稳定、价格低廉、易于制取等优点。因此,本文尝试在N-甲基吡咯烷酮/四丁基高氯酸铵电解液中,在双室隔膜电解池中,采用金、多孔铜及银包铜网电极,用电化学催化还原的方法,将二氧化碳电还原为一氧化碳,并采用电分析方法,研究了电极反应的动力学特征,分析了电极反应机理。主要研究内容和结论如下:(1)研究了 CO2在金电极上的催化还原反应,结果发现CO2可以被连续高效地电还原为CO,电流密度最高可达6.6 mA·cm-2,电流效率最高可达93%,扫描电镜测试结果表明,电极表面没有附着物,电极未出现中毒现象。(2)由于金电极成本昂贵,本文尝试在多孔铜电极上电解CO2制CO,结果表明,CO2可以在多孔铜电极上发生反应,恒电位电解过程中,电流密度稳定在3.5 mA·cm-2,电流效率达到87%,但是,恒电位电解的电流密度比金电极的小。(3)为了进一步提高CO2电催化还原的电流密度,本文尝试在多孔铜电极上附载电催化活性物质。银的催化活性良好,虽然性能略低于金,但价格相对较低,在实际应用中潜力更大,因此本文尝试将银沉积在铜网上,制备银包铜网电极,来研究CO2的电催化还原反应。恒电位电解结果表明,电流密度可达4.2 mA·cm-2,气相色谱测试结果表明,电流效率达到90%,催化还原反应可以长期稳定进行。由于二氧化碳是非极性分子,在有机电解液中具有良好的溶解性,因此,在有机电解液中电还原CO2,具有广阔的应用前景。提高电流密度、降低过电位,是今后需要解决的主要问题。
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