發(fā)布時間：2022-02-18 09:39

　　人類對化石燃料的過度消耗不僅加速了有限自然資源的枯竭,也導致了溫室氣體二氧化碳的超量排放。隨著全球變暖日益加劇,探索有效的技術途徑去降低大氣中CO2濃度已成為各國政府和科學家的重點研究方向。在幾種可行的CO2利用策略（光化學法、生物化學法、熱化學法及電化學法）中,通過電化學還原CO2并使之轉變成對人類有益的碳氫化合物燃料的技術尤其具有吸引力。因為該方法在常溫常壓下進行,且不受卡諾循環(huán)限制,真正實現(xiàn)碳元素的循環(huán)使用。氮循環(huán)與碳循環(huán)一起,是構成地球生態(tài)系統(tǒng)中至關重要的一環(huán)。通過電催化將氮氣直接轉化為氨,能極大降低整個合成氨過程中的能量消耗和碳排放。然而,目前限制CO2/N2電還原技術大規(guī)模應用的瓶頸在于反應電流密度較小、特定產(chǎn)物選擇性較差、所需過電位較高以及析氫副反應嚴重等。因此,如何通過更高效催化劑的理性設計與可控合成,并結合催化機制和構效關系的理解調控,從而提升目標產(chǎn)物的還原反應速率和生成量依然是目前亟需解決的關鍵科學問題。針對上述研究現(xiàn)狀,本論文對于CO2/N2電還原催化劑的設計調控主要分為三部分。第一部分集中在金屬二維材料的晶面與原子層厚度調控;第二部分集中在金屬單原子的可控合成與... 

【文章來源】：中國科學技術大學安徽省211工程院校985工程院校

【文章頁數(shù)】：161 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 引言
    1.2 二氧化碳電還原概述
        1.2.1 二氧化碳電還原基本原理
        1.2.2 二氧化碳電還原性能評價指標
        1.2.3 二氧化碳電還原膜電極全電解池
        1.2.4 二氧化碳電還原的前景和挑戰(zhàn)
    1.3 氮氣電還原簡介
        1.3.1 氮氣電還原反應機理
        1.3.2 氮氣電還原的優(yōu)勢和面臨的科學問題
    1.4 電催化劑的設計
        1.4.1 二維金屬催化劑
        1.4.2 單原子金屬催化劑
        1.4.3 二維碳基無金屬催化劑
    1.5 活性調控策略
        1.5.1 厚度及尺寸調控
        1.5.2 晶相及應變調控
        1.5.3 孔隙及邊緣調控
        1.5.4 界面工程
        1.5.5 缺陷工程
        1.5.6 元素摻雜
        1.5.7 分子增強策略
    1.6 本論文的研究思路和內容
        1.6.1 研究思路
        1.6.2 研究內容
第2章 材料制備及表征方法
    2.1 實驗所用材料和儀器
        2.1.1 實驗材料
        2.1.2 實驗儀器
    2.2 物化性質表征
    2.3 電化學性能表征
    2.4 CO_2RR產(chǎn)物檢測校準分析
    2.5 N_2RR產(chǎn)物檢測校準分析
第3章 單原子層鉍烯用于高效CO_2電還原
    3.1 引言
    3.2 實驗部分
        3.2.1 單原子層鉍烯的制備
        3.2.2 Bi(111)和Bi(011)理論計算
    3.3 結果與討論
        3.3.1 鉍烯的形貌和結構分析
        3.3.2 鉍納米片厚度相關的CO_2RR活性
        3.3.3 鉍納米片厚度相關的CO_2RR穩(wěn)定性
        3.3.4 鉍烯的結構穩(wěn)定性
        3.3.5 非致密性鉍烯催化層的構建
        3.3.6 鉍烯CO_2RR活性的機理研究
    3.4 本章小結
第4章 金納米片還原CO_2的活性機制探究
    4.1 引言
    4.2 實驗部分
        4.2.1 Au三角納米片的制備
        4.2.2 AuNSs@def-GO催化劑的制備
        4.2.3 ~(13)CO_2同位素標記實驗
        4.2.4 理論計算
    4.3 結果與討論
        4.3.1 AuNSs@def-GO的形貌和結構分析
        4.3.2 AuNSs@def-GO的CO_2RR性能表征
        4.3.3 AuNSs@def-GO@BP催化層的構建
        4.3.4 PEM-CO_2還原全電解器的設計
        4.3.5 CO_2RR活性的機理研究
    4.4 本章小結
第5章 ZnN_4基單原子催化劑CO_2RR的構效關系研究
    5.1 引言
    5.2 實驗部分
        5.2.1 ZnN_4/C催化劑的制備
        5.2.2 理論計算
    5.3 結果與討論
        5.3.1 ZnN_4/C的形貌和結構分析
        5.3.2 ZnN_4/C的結構性能優(yōu)化
        5.3.3 ZnN_4/C的CO_2RR活性探究
        5.3.4 ZnN_4/C的CO_2RR動力學研究
        5.3.5 ZnN_4/C的CO_2RR活性來源研究
        5.3.6 CO_2RR活性的機理解釋
    5.4 本章小結
第6章 氧缺陷錨定的單原子Fe基高效氮還原催化劑
    6.1 引言
    6.2 實驗部分
        6.2.1 Fe_(SA)-O-C催化劑的制備
        6.2.2 ~(15)N_2同位素標記實驗
    6.3 結果與討論
        6.3.1 PC和Fe_(SA)-O-C的形貌和結構表征
        6.3.2 Fe_(SA)-O-C的N_2RR活性探究
        6.3.3 ~(15)N_2同位素標記實驗
        6.3.4 原位EXAFS實驗和DFT計算
        6.3.5 Fe_(SA)-O-C的N_2RR穩(wěn)定性
        6.3.6 PEM-N_2還原全電解器的設計
    6.4 本章小結
第7章 揭示碳上含氧官能團在CO_2RR中的作用本質
    7.1 引言
    7.2 實驗部分
        7.2.1 GNDs催化劑的制備
        7.2.2 原位紅外實驗
        7.2.3 理論計算
    7.3 結果與討論
        7.3.1 GNDs的形貌和結構分析
        7.3.2 GNDs的CO_2RR性能分析
        7.3.3 GNDs上含氧官能團的作用本質
        7.3.4 CO_2RR活性循環(huán)再生
    7.4 含氮官能化的GNDs用于熒光標記
        7.4.1 引言
        7.4.2 afGNDs和hGNDs的制備
        7.4.3 afGNDs的形貌和結構表征
        7.4.4 afGNDs的發(fā)光性能研究
        7.4.5 afGNDs的熒光增強機理研究
    7.5 本章小結
第8章 結論與展望
參考文獻
附錄 英文縮寫索引
致謝
在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的其他研究成果



本文編號：3630603