載鉑石墨烯協(xié)同TiO2納米管光電催化還原CO2的機(jī)理研究.pdf

1、利用太陽能光電催化還原CO2制取燃料和高價(jià)值化工品，對(duì)緩解化石燃料短缺和溫室效應(yīng)具有重要意義。本文在以載鉑石墨烯（Pt-RGO）為電陰極，以載鉑TiO2納米管（Pt-TNT）為光陽極的新型光電催化還原CO2體系中，實(shí)現(xiàn)了光催化與電催化還原CO2的協(xié)同增效；揭示了陽極光電壓補(bǔ)償陰極CO2還原電位以降低系統(tǒng)能耗的機(jī)理；利用三維泡沫銅（CF）材料作為CO2還原電極和Pt-RGO催化劑擔(dān)載體，顯著提高了CO2還原碳原子轉(zhuǎn)化率。
　　在Pt

2、-RGO電陰極與Pt-TNT光陽極組成的光電催化體系中，通過利用陽極光電壓補(bǔ)償陰極CO2還原電位，在較低能耗下實(shí)現(xiàn)了CO2向碳?xì)淙剂系母咝мD(zhuǎn)化。石墨烯（RGO）具有優(yōu)異的比表面積和電子傳輸速度，能為CO2及反應(yīng)中間產(chǎn)物提供大量的吸附位點(diǎn)，且有利于CO2、H+及e-的快速反應(yīng)。CO2在Pt-RGO催化劑上還原碳原子轉(zhuǎn)化率顯著高于載鉑碳納米管和載鉑活性炭催化劑上的碳原子轉(zhuǎn)化率。Pt-TNT光陽極在 CO2還原中發(fā)揮雙重作用：（1）陽極H2O

3、分解為Pt-RGO陰極上的CO2還原提供H+和e-；（2）陽極光電壓補(bǔ)償陰極Pt-RGO陰極上CO2還原電位使陰極電位負(fù)移。陽極光電壓對(duì)陰極電位的補(bǔ)償使得使得同等外部能量投入下，陰極CO2還原電位更負(fù)，系統(tǒng)能耗降低，實(shí)現(xiàn)了光電還原 CO2過程中光催化和電催化的協(xié)同增效。通過對(duì)Pt-TNT載鉑量、Pt-RGO還原時(shí)間、系統(tǒng)施加電位、陰極電解液pH值及泡沫鎳載體孔徑的調(diào)控優(yōu)化，CO2還原碳原子轉(zhuǎn)化率提高到1500 nmol/(h cm2)。

4、
　　首次以三維泡沫銅（CF）作為 Pt-RGO催化劑的擔(dān)載體制備了 Pt-RGO/CF復(fù)合電極用于 CO2還原。泡沫銅在 CO2還原中發(fā)揮雙重作用：（1）泡沫銅電陰極析氫電位較高且對(duì)CO2向碳?xì)淙剂系霓D(zhuǎn)化具有較高選擇性，顯著抑制了析氫競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的發(fā)生，促進(jìn)了CO2的還原；（2）泡沫銅基底比表面積大，導(dǎo)電性好，孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)，是Pt-RGO催化劑優(yōu)異的擔(dān)載體。在Pt-RGO/CF復(fù)合電極上，CO2還原的碳原子轉(zhuǎn)化率達(dá)到單獨(dú)使用泡沫銅電極

5、與單獨(dú)使用Pt-RGO催化劑之和的1.9倍，實(shí)現(xiàn)了Pt-RGO催化劑和泡沫銅基底對(duì)CO2還原的協(xié)同增效。CO2還原的碳原子轉(zhuǎn)化率隨系統(tǒng)施加偏壓增大、Pt-RGO載Pt量增大及泡沫銅基底上Pt-RGO負(fù)載量增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)系統(tǒng)施加電位為2V，Pt-RGO催化劑載鉑量為4 wt％，泡沫銅基底上Pt-RGO擔(dān)載量為6mg/cm2時(shí)，CO2還原碳原子轉(zhuǎn)化率提高到4340 nmol/(h cm2)。
　　將載鉑石墨烯氣凝膠（

6、Pt-GA）直接沉積于三維泡沫銅（CF）基底上制備了無粘結(jié)劑的Pt-GA-CF復(fù)合電極用于CO2還原。Pt-GA催化劑在泡沫銅基底及其孔隙之間均勻負(fù)載，使得整個(gè)三維導(dǎo)電電極的網(wǎng)絡(luò)孔隙分布及電子傳輸路徑更為發(fā)達(dá)，電子的傳遞速度顯著提高，電荷轉(zhuǎn)移電阻顯著降低。無粘結(jié)劑電極降低了Pt-GA催化劑與泡沫銅基底之間的接觸電阻，使得電極反應(yīng)的歐姆電阻降低，電極電性能得到進(jìn)一步的提升。多孔氣凝膠結(jié)構(gòu)的Pt-GA催化劑有效阻止了石墨烯材料的自團(tuán)聚，維持