三維Ag和TiO2納米管電極電化學(xué)還原CO2.pdf

1、傳統(tǒng)化石燃料的大量使用必將導(dǎo)致能源危機(jī)，并產(chǎn)生大量的CO2從而加劇溫室效應(yīng)。將CO2還原為低碳物質(zhì)不僅能夠有效緩解溫室效應(yīng)，而且生成的低碳物質(zhì)可作為潛在的能源加以利用。鑒于電能可以通過(guò)可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能和潮汐能產(chǎn)生，無(wú)需額外的化石燃料燃燒，并且通過(guò)電化學(xué)法可以將CO2還原為有用燃料或其他化學(xué)物質(zhì)，同時(shí)緩解了能源危機(jī)和溫室效應(yīng)。然而CO2熱力學(xué)穩(wěn)定，需提供220～330kJ mol1的能量才能活化CO2分子生成有價(jià)值化學(xué)品，因此開(kāi)發(fā)

2、卓越電極催化材料降低CO2活化能是當(dāng)前面臨的重大挑戰(zhàn)。
　　本研究通過(guò)臭氧氧化-電解還原法制備了三維Ag（r-Ag）電極，采用X射線衍射（XRD）、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）、X射線光電子能譜（XPS）、雙電位階躍等手段對(duì)所制備電極進(jìn)行了結(jié)構(gòu)、形貌、元素組成和表面粗糙度的測(cè)試，并考察了電化學(xué)還原CO2的催化活性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電極比平板Ag電極具有更高的電催化活性，這是由于表面修飾能在Ag電極表面形成三維立體結(jié)構(gòu)，

3、大大增加活性物種數(shù)量，從而有利于CO2的電化學(xué)還原。此外，雙電位脈沖法可大大提高CO2電化學(xué)還原為CO的穩(wěn)定性，電化學(xué)還原CO2的含碳產(chǎn)物主要為CO，同時(shí)還存在少量的甲酸、甲醇、甲烷和甲醛。當(dāng)電解電位為-1.1V（相對(duì)于可逆氫電極電位（vs. RHE））時(shí)反應(yīng)5h后，CO2電化學(xué)還原產(chǎn)物CO、甲酸、甲醛、甲醇和甲烷的產(chǎn)量分別達(dá)到1620μmol、71.8μmol、11.9μmol、0.65μmol和2.70μmol。三維Ag電極和平板A

4、g電極上CO法拉第效率達(dá)到最大值分別為88.87％和79.14%，對(duì)應(yīng)的分電流密度分別為5.73mA cm–2和3.51mA cm–2。塔菲爾曲線及添加已知中間產(chǎn)物的研究表明，Ag電極上電化學(xué)還原CO2為CO和甲酸的反應(yīng)機(jī)理相同，且Ag電極上的失活現(xiàn)象歸因于電極表面上形成的CHOads或COHads吸附物種。
　　另外，采用原位陽(yáng)極氧化-煅燒法制備一系列TiO2納米管（TiO2NTs）電極，運(yùn)用XRD、FESEM、XPS、雙電位階

5、躍等測(cè)試對(duì)制備電極進(jìn)行表征，考察了其在電化學(xué)還原CO2為甲醇的催化活性。結(jié)果表明TiO2NTs電極上電化學(xué)還原CO2的主產(chǎn)物為甲醇，并由甲酸和甲醛進(jìn)一步還原而來(lái)。最佳的煅燒溫度為450℃，當(dāng)電解電位為-0.56V vs. RHE時(shí)反應(yīng)3h后，甲醇的產(chǎn)量為15.3μmol，最大法拉第效率為85.8%，分電流密度為0.2mAcm2。TiO2NTs-450電極更高的催化活性，歸因于電極表面更多的三價(jià)鈦含量，促進(jìn)CO2的生成速率，速率控制步驟轉(zhuǎn)