有機小分子對CO2的電催化還原及捕獲的研究.pdf

1、在過去的一個世紀里,不斷增長的人口和科學技術的進步促進了能源消費的空前增長,進而導致大氣中二氧化碳水平的增加,嚴重影響著人類賴以生存的自然環(huán)境。因此限制二氧化碳(特別是人為來源)的排放并降低其大氣濃度是非常重要的。如何采用合適的電極材料,合適的催化劑來還原CO2,如何大量捕獲、安全固存CO2以使得CO2轉變成有用的C物質(zhì)的發(fā)展一直是學者們研究的重點。本文采用電化學還原和電沉積的方式制備了不同的修飾電極并利用循環(huán)伏安法和現(xiàn)場紅外光譜技術研

2、究了不同電極上2,6-二甲基-1,4-對苯醌(DBQ)在CO2存在下的氧化還原行為;同時研究有機堿化合物在Pt電極上催化還原CO2的電化學行為。推測了在兩種不同條件下CO2的氧化還原機理,主要工作概括如下:
　　1.不同電極上2,6-二甲基,1,4-對苯醌(DBQ)與CO2還原的電化學研究
　　采用電化學還原和電沉積的方式制備了兩種金納米粒子修飾玻碳電極Au-NPs/GC和NG-Au/GC電極,構造不同的電化學界面。循環(huán)伏安

3、法和電化學阻抗結果表明,相對于裸金(Au)、裸玻碳(GC)和NG-Au/GC電極,400s電化學還原制備的Au-NPs/GC電極具有更好的電化學活性。利用循環(huán)伏安法和現(xiàn)場紅外光譜技術研究了不同電極上2,6-二甲基,1,4-對苯醌(DBQ)在CO2存在下的氧化還原行為。在CO2存在或不存在的條件下,各個電極上的峰-峰電位差結果顯示,Au-NPs/GC電極上DBQ具有更快的電子轉移速度。不同電極上的實驗結果表明,DBQ在還原過程中先得到一個

4、電子,生成半醌自由基,隨后得到一個電子生成二價陰離子。進一步研究了不同電極上在DBQ溶液中通入CO2的氧化還原機理,研究發(fā)現(xiàn),在CO2存在的情況下,不同電極上的CV行為發(fā)生了相同的改變,兩對氧化還原峰都變成了一對。結合快速掃描紅外3D圖,推測DBQ在CO2存在時的還原機理為:DBQ上的羰基得到一個電子后的中間體迅速與CO2結合得到[DBQ-CO2]-,[DBQ-CO2]-再結合一個電子發(fā)生第二步的還原生成終產(chǎn)物[DBQ-CO2]2-。該

5、還原機理表明可以利用該醌在電化學條件下分離混合氣體中的CO2,有利于CO2的富集及進一步的有效轉化和利用。
　　2.有機堿催化劑催化還原二氧化碳的研究
　　首先研究了5-羥基-2-氨基吡啶(HA)水溶液在不同電極(Au、GC、P0上的電化學行為。當該物質(zhì)的水溶液中不存在CO2時,在-0.2V～-0.8V電位下,循環(huán)伏安結果顯示沒有任何電化學氧化還原的現(xiàn)象。進一步在HA水溶液中通入飽和CO2,不同電極上的電化學結果顯示,Pt電

6、極作為工作電極時CV圖上能觀察到一對明顯的氧化還原峰。通過研究不同掃速下HA飽和CO2水溶液CV行為,可以很清楚地看到掃速平方根和還原電流密度呈現(xiàn)出很好的線性關系,線性方程為y=-0.11x-0.33,R2=0.990,符合線性擴散方程ip=(2.69x10-5)n3/2AD01/2C0V1/2,說明該反應過程是一受擴散控制的準可逆反應過程。現(xiàn)場紅外光譜結果顯示,可逆性良好。進一步研究了2-氨基苯并咪唑催化還原CO2的電化學行為,CV及