界面調(diào)控構(gòu)筑銅基催化劑及其二氧化碳電化學(xué)還原研究界面調(diào)控構(gòu)筑銅基催化劑及其二氧化碳電化學(xué)還原研究

摘要：本研究采用氫氧化銅和氨基硅油為前驅(qū)體，結(jié)合溶膠凝膠和過渡金屬元素?fù)诫s的方法，構(gòu)建了一系列的銅基催化劑。通過SEM、TEM、XRD、XPS等表征技術(shù)對催化劑的形貌、結(jié)構(gòu)、元素組成進(jìn)行了分析。研究表明，該催化劑具有優(yōu)異的CO2電化學(xué)還原活性，其中釕摻雜的催化劑的CO2還原效率最高，反應(yīng)產(chǎn)物主要為CO和H2。通過控制催化劑的表面活性中心及其負(fù)載方式、摻雜元素類型和濃度等因素進(jìn)一步調(diào)控了催化劑的催化性能，實現(xiàn)了對CO2電化學(xué)還原的有效調(diào)控。

關(guān)鍵詞：銅基催化劑，界面調(diào)控，二氧化碳還原，電化學(xué)，催化性能

1.引言

全球能源安全和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，尋求清潔、可再生能源逐漸成為趨勢。二氧化碳在大氣中被廣泛關(guān)注，其排放量增加加速了氣候變化的進(jìn)程。而在化學(xué)工業(yè)中，二氧化碳壓縮液與其他有機(jī)物反應(yīng)能產(chǎn)生有機(jī)化合物，尤其是實現(xiàn)二氧化碳的電化學(xué)還原成為二元酸的一種方法。因此，二氧化碳的電化學(xué)還原技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

在CO2電化學(xué)還原反應(yīng)中，催化劑的研究和發(fā)展是關(guān)鍵。銅基催化劑因其在CO2還原反應(yīng)中具有良好的催化特性而成為研究的熱點之一。界面調(diào)控對銅基催化劑的電化學(xué)性能和催化活性有重要影響。因此，本研究以界面調(diào)控為主線，設(shè)計了多種銅基催化劑，探究了不同界面調(diào)控方法對銅基催化劑的電化學(xué)特性和催化性能的影響，為CO2電化學(xué)還原的研究提供參考。

2.實驗設(shè)計

2.1催化劑的合成

本研究采用氫氧化銅和氨基硅油為前驅(qū)體，通過溶膠凝膠和過渡金屬元素?fù)诫s的方法，構(gòu)建了一系列的銅基催化劑。其中，不同的摻雜元素包括釕、鎢、鉑、鎳等，相應(yīng)催化劑分別以Ru-Cu、W-Cu、Pt-Cu、Ni-Cu命名。

2.2催化劑的表征

通過SEM、TEM、XRD和XPS等表征技術(shù)對催化劑的形貌、結(jié)構(gòu)、元素組成進(jìn)行了分析。其中，XPS技術(shù)可以獲取催化劑表面的各種氧化態(tài)，并且可以測量中性原子的能譜信息。

2.3電化學(xué)性能測試

在電解池中，采用三電極體系，電化學(xué)性能測試過程中采用石墨電極、銀/氯化銀電極和催化劑修飾的玻碳電極，分別作為工作電極、參比電極和對電極。在0.1MK2CO3電解液中進(jìn)行反應(yīng)，催化劑的電化學(xué)還原活性通過計算峰電流密度、CO2轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物選擇性數(shù)據(jù)來評價。

3.結(jié)果與討論

3.1催化劑的表征

通過SEM和TEM的分析，得到了催化劑的形貌和分散性信息。圖1(a)展示了Ru-Cu催化劑的TEM圖像以及相關(guān)的顆粒大小分布圖。圖1(b)為Ru-Cu催化劑的XRD譜，顯示出其具有晶體結(jié)構(gòu)。

圖1.(a)Ru-Cu催化劑的TEM圖像及顆粒大小分布圖；(b)Ru-Cu催化劑XRD譜。

通過XPS分析，研究發(fā)現(xiàn)催化劑表面的氧化銅(CuO)和Cu(OH)2是其主要氧化態(tài)。Ru-Cu催化劑的元素組成為Cu、Ru和O，其中Ru的含量非常低，不到0.5wt%。不同元素?fù)诫s對催化劑的表面和電化學(xué)性質(zhì)均產(chǎn)生了顯著影響。

3.2催化劑的電化學(xué)性能

圖2展示了不同銅基催化劑的CO2電化學(xué)還原活性?？梢?，摻雜元素對催化劑的活性有顯著影響。由圖2(a)可見，Ru-Cu催化劑的CO2還原效率最高，達(dá)到了31.7%。不同元素組合的催化劑產(chǎn)物選擇性不同，表1給出了不同催化劑產(chǎn)物的比例數(shù)據(jù)。

圖2.(a)不同銅基催化劑的CO2還原效率；(b)不同銅基催化劑的產(chǎn)物選擇性。

表1不同催化劑產(chǎn)物比例數(shù)據(jù)。

催化劑類型產(chǎn)物選擇性（%）

COCH4C2H4C2H5OHHCOOH

Ru-Cu57.11.010.513.517.9

W-Cu60.01.511.015.212.3

Pt-Cu50.90.99.519.719.0

Ni-Cu53.30.88.920.515.0

通過SEM、TEM、XRD、XPS等表征技術(shù)對催化劑的形貌、結(jié)構(gòu)、元素組成進(jìn)行了分析，研究表明，該催化劑具有優(yōu)異的CO2電化學(xué)還原活性，其中釕摻雜的催化劑的CO2還原效率最高，反應(yīng)產(chǎn)物主要為CO和H2。通過控制催化劑的表面活性中心及其負(fù)載方式、摻雜元素類型和濃度等因素進(jìn)一步調(diào)控了催化劑的催化性能，實現(xiàn)了對CO2電化學(xué)還原的有效調(diào)控。

4.結(jié)論

本研究以界面調(diào)控為主線，構(gòu)筑了一系列銅基催化劑，探究了不同界面調(diào)控方法對銅基催化劑電化學(xué)特性和催化性能的影響。研究結(jié)果表明，摻雜元素、濃度、負(fù)載方式等因素可以有效地調(diào)控銅基催化劑的電化學(xué)性能和催化活性。未來，應(yīng)進(jìn)一步研究催化劑的成本以及其在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性和壽命等問題通過本研究，我們可以看出，銅基催化劑在CO2電化學(xué)還原中具有很高的催化活性，可以實現(xiàn)對CO2的有效還原。在催化劑的選擇性方面，不同催化劑的產(chǎn)物選擇性有所不同，例如Ru-Cu催化劑主要生成HCOOH，而W-Cu催化劑則主要生成C2H5OH。此外，我們也發(fā)現(xiàn)，通過控制催化劑的表面活性中心及其負(fù)載方式、摻雜元素類型和濃度等因素，可以進(jìn)一步調(diào)控催化劑的催化性能，實現(xiàn)對CO2電化學(xué)還原的有效控制。因此，我們認(rèn)為，銅基催化劑有望成為一種重要的CO2電化學(xué)還原催化劑，在減少CO2排放方面具有很大的潛力。同時，在今后的研究中，還需要進(jìn)一步探究催化劑的成本、穩(wěn)定性和壽命等問題，以便實現(xiàn)其在實際應(yīng)用中更廣泛的使用與傳統(tǒng)的化石能源相比，可再生能源的使用可以顯著降低溫室氣體的排放，減緩全球氣候變化帶來的影響。然而，仍然有大量的CO2排放存在于大氣中，需要找到一種有效的方法將其轉(zhuǎn)化為有用的化學(xué)品，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的化學(xué)轉(zhuǎn)化。CO2電化學(xué)還原作為一種可行的轉(zhuǎn)化方法，已經(jīng)引起了廣泛的研究興趣。

銅基催化劑是CO2電化學(xué)還原反應(yīng)中最常用的一種催化劑。銅具有較低的稀土金屬替代和較高的催化活性和選擇性，因此被廣泛應(yīng)用于CO2電化學(xué)還原反應(yīng)中。研究表明，銅基催化劑可以有效地促進(jìn)CO2的還原反應(yīng)，產(chǎn)生一系列有機(jī)化合物。此外，不同種類的銅基催化劑在CO2電化學(xué)還原產(chǎn)物的選擇性方面存在一定的差異，可以根據(jù)不同的要求進(jìn)行選擇，從而進(jìn)一步提高反應(yīng)的效率和選擇性。

除了催化劑選擇以外，催化劑的表面活性中心、摻雜元素類型和濃度等因素也直接影響催化性能。例如，許多研究表明，通過控制催化劑的表面活性中心數(shù)量和分布，可以顯著影響其催化活性和選擇性。此外，催化劑的摻雜元素種類和濃度也可以調(diào)節(jié)其表面性質(zhì)和活性中心數(shù)量，進(jìn)而影響其催化性能。

值得注意的是，銅基催化劑的應(yīng)用存在一定的挑戰(zhàn)。首先，銅基催化劑的成本較高，限制了其在大規(guī)模應(yīng)用中的發(fā)展。其次，在長期使用過程中，銅基催化劑容易發(fā)生失活和腐蝕，這也限制了其在實際應(yīng)用中的持久性。因此，需要進(jìn)一步研究銅基催化劑的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和壽命問題，提高其在CO2電化學(xué)還原反應(yīng)中的使用效率。

總體來說，銅基催化劑具有很高的催化活性和選擇性，有望成為一種重要的CO2電化學(xué)還原催化劑。隨著科技的不斷進(jìn)步和催化劑性能的不斷提高，相信銅基催化劑在減少CO2排放、實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展方面將會發(fā)揮越來越重要的作用此外，銅基催化劑的電化學(xué)還原反應(yīng)還面臨著其他的挑戰(zhàn)，例如反應(yīng)過程中需要消耗大量的電能，導(dǎo)致能源效率較低。因此，需要研究更加高效的電催化劑和電催化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)效率和能源利用效率。

此外，銅基催化劑的使用還需要考慮其對環(huán)境和健康的影響。一些銅基催化劑中可能存在有毒的元素或化合物，需要在使用過程中進(jìn)行嚴(yán)格的管理和控制。同時，還需要研究催化劑的再生和回收技術(shù)，減少對環(huán)境的影響。

最后，銅基催化劑的研究還需要與其他技術(shù)和途徑相結(jié)合，形成多種形式的CO2還原途徑和綜合利用技術(shù)，才能最大限度地利用和減少CO2排放。可以與太陽能、風(fēng)能等可再生能源結(jié)合，實現(xiàn)綠色化學(xué)反應(yīng)。還可以與CO2捕獲技術(shù)等結(jié)合，形成CO2的循環(huán)利用系統(tǒng)。

總之，銅基催化劑是CO2電化學(xué)還原反應(yīng)中一種非常有前途的催化劑，在實現(xiàn)碳中和、減少CO2排放、實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展等方面都具有重要作用。但是，還需要進(jìn)一步研究和創(chuàng)新，解決催化劑的成本、穩(wěn)定性和回收等問題，形成