堆垛层错型催化剂的可控构筑及流动相电解池电催化CO2还原研究
批准号:
22108109
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:
佘小杰
依托单位:
学科分类:
资源、环境与生态化工
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
佘小杰
中文摘要
电催化CO2还原生成高附加的化学品是实现CO2减排和资源化利用的前沿技术,该技术的进一步发展强烈依赖于高性能电催化剂的可控构筑及其新型稳定的气体扩散电极的开发。本项目拟采用物理激光脉冲消融法可控地构筑堆垛层错型催化剂,通过堆垛层错的密度来精确调控催化剂表面原子结构和晶格应力,从而提升催化剂对CO2的吸附性能,降低CO2活化的过电位,提高电催化CO2还原产物的选择性和反应活性,并通过多物理场仿真优化气体扩散电极的结构,实现堆垛层错型催化剂在流动相电解池中高效地电催化CO2还原。系统探究堆垛层错型催化剂对CO2吸附性能的影响规律;阐明催化剂表面原子结构和晶格应力与电催化CO2还原性能之间的构效关系;结合理论计算和原位表征技术,揭示堆垛层错型催化剂电催化CO2还原的反应机理。该项目的实施可为新型催化剂的开发提供理论基础和实验依据,对推动CO2的减排和资源化利用具有重要意义。
英文摘要
Electrocatalytic CO2 reduction into valuable chemicals is a cutting-edge technology for mitigating CO2 emissions and CO2 utilizations. However, the further development of this advanced technology highly depends on the electrocatalysts with excellent catalytic performance and stable gas diffusion electrodes. In this project, it is proposed to controllably construct stacking fault catalysts by the physical laser pulse ablation strategy. To enhance CO2 adsorption ability, lower the CO2 activation overpotentials and improve the selectivity of products and reaction activity, the surface structure and strain of the catalyst are tuned by the stacking fault density. Optimized the structure of gas diffusion electrodes by the multi-physics field simulation. It is expected that the gas diffusion electrodes with stacking fault catalysts can effectively boost electrocatalytic CO2 reduction activity in the flow cell. The influences of stacking fault catalysts on the adsorption activity of CO2 will be explored in detail. Besides, the structure-activity relationship between the surface atomic structure/strain and electrocatalytic CO2 reduction performance will be also studied. Afterward, the DFT theoretical calculation and some in-situ characterizations will be employed to study the mechanism of the electrocatalytic CO2 reduction reaction from stacking fault catalysts. This project can provide experimental basics and theoretical guidance for the development of electrocatalysts, and promote CO2 emission cuts and CO2 utilization.
本项目围绕堆垛层错型催化剂的设计与优化,并结合流动相电解池技术的开发,系统研究了其在电催化CO2还原反应中的结构-性能关系,取得了以下创新性成果:1、堆垛层错型铜催化剂的制备与性能优化:采用简便的溶液法制备了富含堆垛层错和晶界的SS-Cu纳米粒子。结构表征显示,堆垛层错和晶界引发了局部拉伸应变(~0.8%),并在表面形成低配位的Cu原子活性位点。性能测试表明,该催化剂在CO2还原生成C2H4过程中表现出优异性能,C2H4法拉第效率高达80%,总电流密度达到710 mA cm-2。2、堆垛层错型催化剂的表面与电子结构调控:通过调控前驱体成分和合成条件,构建了系列堆垛层错结构催化剂,系统研究了其微观结构与CO2还原性能的关系。结果表明,堆垛层错和晶界的表面拉伸应变可显著增强C-C偶联能力,从而提高C2产物选择性。同时,进一步通过催化剂的结构设计,优化电子结构以增强中间体*CO的吸附状态,实现了包括CO(法拉第效率高达80.3%)、CH4(法拉第效率高达52.2%)、C2H4(法拉第效率高达50%)等产物的高效及可控制备。3、流动相电解池技术的集成与优化:结合堆垛层错型催化剂,开发了高效流动相电解池技术。通过优化流动相条件、电解池结构以及阳极氧化电极,构建了高活性和高稳定性电催化CO2还原反应体系。在此基础上,开发了一种基于纯水供给的膜-电极组件(MEA)流动相电解系统,该系统有效抑制了碳酸盐生成和沉积。在规模化放大电解槽中,10 A总电流条件下乙烯法拉第效率达50%,并在稳定运行超过1000小时后未出现CO2和电解液损失,展现了工业应用潜力。本项目不仅突破性地提升了堆垛层错型催化剂的设计水平,还推动了流动相电解池技术在电催化CO2还原中的应用与发展,为实现低能耗、高效率的CO2资源化利用提供了理论指导与实践依据。同时,相关研究成果对其他电化学反应体系的设计具有重要借鉴意义。
晶界调控金属催化剂结构及MEA电解池电催化CO2还原研究
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批准号:22378177
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:佘小杰
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依托单位:
国内基金
海外基金