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CO2电还原制多碳醇:石墨炔基催化剂设计策略及CO增强偶联机制探究

批准号:
22102151
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
杨发
依托单位:
学科分类:
电化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨发

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
电催化CO2还原为高附加值C2+多碳醇一般是由CO2首先转化为吸附的CO中间体(*CO)引发的,但具体反应机制尚不清楚。由于铜基催化剂存在多碳醇选择性低、耐久性差等问题,本项目拟设计一种新型的具备高度有序凹凸结构的无铜氮掺杂石墨炔材料(N-OG),系统探究sp-N掺杂类型和杂化碳结构对CO2RR生成醇类活性的影响,突破现有铜基材料研究的局限;并以此为着力点,深入研究CO覆盖密度、吸附强度及反应速率对多碳醇反应途径的影响规律,厘清*CO的真实配位状态与增强偶联机制。同时,构筑Au/N-OG串联催化体系,借助Au位点还原CO2产生的局部高浓度CO微环境进一步增强C-C偶联效率。利用电化学-单分子荧光显微镜技术,在单粒子水平上实时跟踪量化单个Au/N-OG位点上CO中间体的生成、脱附、迁移及还原的动态变化过程与微观分布,建立C-C偶联反应的精准CO调控机制,为CO2RR制多碳醇提供新思路和指导。
英文摘要
The electrocatalytic reduction of CO2 (CO2RR) into highly valuable C2+ alcohols is generally initiated by converting CO2 to adsorbed CO intermediates (the first step), but the specific reaction pathway and mechanism are yet unclear. Considering that copper-based catalysts have been suffering from some serious issues for CO2RR into C2+ alcohols, such as low selectivity and poor durability, in this project, a new type of copper-free nitrogen-doped graphdiyne materials with highly ordered concave-convex structure (N-OG) would be designed to systematically study the effects of sp-N doping type and hybrid carbon structure on CO2RR into alcohols activity, breaking through the limitations of existing copper-based researches. With this as the research objects, we proposed to further explore the impacts of CO coverage density, adsorption strength and reaction rate on the reaction pathway of C2+ alcohols, so as to clarify the real coordination environment and enhanced coupling mechanism of CO intermediate (*CO). Simultaneously, a tandem catalyst (Au/N-OG) will be designed to generate local high-concentration CO microenvironment at Au sites that could further enhance C-C coupling efficiency. By using unique electrochemical single-molecule fluorescence microscopy (EC-SMFM) at single-particle level, we propose to trace and quantify the dynamic process of formation, desorption, migration and reduction of CO intermediates formed on single Au/N-OG site in real-time, and establishing a precise CO regulation mechanism of C-C coupling reaction. Our project will provide new insights and guidance for CO2RR into C2+ alcohols.
电催化二氧化碳还原(CO2RR)利用可再生电能将CO2转化为高能增值的化学燃料被认为是一种能同时实现碳中性循环和可再生能源存储的有效途径。在CO2众多还原产物中,乙醇(C2H5OH)和甲酸(HCOOH)作为一类极有应用潜力的液态燃料备受关注。然而,由于CO2RR过程存在多种竞争反应,现有催化剂在液体产物单一选择性、能源转化效率和长时间稳定性等方面面临着巨大挑战。一方面,CO2RR形成乙醇产物的反应途径和关键中间体一直存在较大争议,对于CO中间体的作用机理尚不明确;另一方面,催化位点存在不明确的电氧化/还原衍生重组,导致中间物种的吸附状态发生动态转变,使得结构-功能相关性难以捉摸。针对以上问题,本项目的工作立足于高选择性电还原CO2制乙醇和甲酸,以原位振动光谱学为主要手段,结合材料的制备与表征、中间物种分析,以及理论计算等,研究催化位点的组成与结构对CO2RR活性与产物选择性的影响,并探讨相关的CO2RR反应可能的机制和吸附中间体。具体的工作有:结合原位光谱和理论计算成功揭示了一种电势动态诱导*CO和*OH在氧化物衍生铜表面上的共吸附来有效地将CO2转化为C2H5OH的新方法;利用原位光谱和准原位电镜表征揭示了电势诱导下的铜硫族化物催化剂的动态重构过程,阐明了该结构转变过程影响HCOOH选择性转变为C2H5OH的CO中间体调控机制;利用原位光谱反应动力学分析揭示了钯铋复合催化剂在CO2RR制甲酸条件下的两步动态重建过程,厘清了CO的真实吸附状态与毒化机制;探究了氮/氧掺杂多孔碳材料载体对金属位点电催化活性和稳定性的影响规律。以第一/通讯作者在PNAS、Angew. Chem. Int. Ed.、Appl. Catal. B-Environ.、J. Catal.等高水平期刊发表标注了该项目的学术论文9篇,授权发明专利1项。研究成果达到预期。系列工作为建立CO2RR反应的精准中间体调控机制并促进乙醇和甲酸单一高效生成提供新的材料设计策略和谱学指导。
电势介导表面*OH 与*H 竞争调控钯失活机制的单分子荧光成像
  • 批准号:
    ZCLZ26B0301
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2026
  • 负责人:
    杨发
  • 依托单位:
单分子水平动态研究脉冲CO2电催化串联体系的CO与羟基协同竞争机制
  • 批准号:
    22472156
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    0万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    杨发
  • 依托单位:
钯铋氧化态双金属烯基 CO2RR 催化剂的设计调控及其单分子荧光动态过程研究
  • 批准号:
    LQ22B030001
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    杨发
  • 依托单位:
国内基金
海外基金