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随着社会经济的飞速发展,化石燃料的使用和环境保护之间的矛盾不断加剧,发展可持续的新能源体系成为实现未来能源结构转变的重要途径。在众多的新能源存储与转化技术中,电催化CO2还原反应以其温和的反应条件和较大的经济效益引起了人们的广泛关注。然而,由于CO2还原反应的产物选择性和能源转化效率不理想,使其在实际应用中具有很高的挑战性。因此,开发价格低廉且兼具高活性、高选择性、高稳定性的CO2还原电催化材料迫在眉睫。本论文介绍了三种催化剂的设计思路以及它们在CO2还原反应中的催化性能,具体内容如下:一、我们选择多巴胺作为碳源,利用它在弱碱条件下与SnO32-离子的协同自聚合作用形成Sn-PDA前驱体,经高温煅烧处理获得了氮掺杂碳包覆的Sn02复合材料(Sn02-NCs)。复合材料的外壳是一层氮掺杂的无定型碳,在提高材料导电性的同时可以有效地抑制SnO2纳米晶粒的团聚,促进了催化活性点的有效暴露。在0.5 M NaHC03电解液中,SnO2-NCs催化剂在-0.92V(相对于可逆氢电极)的电位下实现73%的甲酸选择性和16.3 mA/cm2的电流密度,其选择性峰值对应的过电位比同类材料小了 40-230 mV。此外,复合材料还可以维持超过20小时的催化性能。二、我们通过简单的溶剂热法合成了仅有几个原子层厚度的Bi202C03纳米片,随后通过电化学还原转化的方法,成功将超薄Bi2O2C03纳米片转化成多孔Bi纳米片(mpBi)。最终获得的mpBi纳米片具有独特的二维介孔结构,这种特殊的结构为CO2还原反应提供了较大的表面积和丰富的不饱和Bi活性位点。电化学测试表明:mpBi纳米片在CO2还原反应中表现出优异的催化活性,其甲酸电流密度可达18 mA/cm2,能够在较宽的电位区间内实现超过90%的甲酸选择性,超越了已报道的Sn基材料以及大多数产甲酸的CO2还原电催化材料。最后,我们将mpBi催化剂与商业Ir/C催化剂进行配对,分别用碱性干电池和太阳能电池驱动CO2/H2O裂解全反应的发生,获得了较高的能量转化效率。三、我们通过盐模板法合成空心聚多巴胺碳球,一部分直接在氨气中高温退火得到氮掺杂的碳材料(N-HCS),另一部分先浸泡在溶液中引入过渡金属Ni,再经过同样的退火步骤获得镍和氮共掺杂的碳材料(Ni-N-HCS)。两种碳材料都能维持前驱体的空心碳球结构,这为CO2还原反应提高了较大的反应面积。电化学测试表明:与N-HCS催化剂相比,引入金属Ni的Ni-N-HCS催化剂表现出优异的CO2还原选择性和活性,可以在较宽的电位区间内达到超过80%的CO选择性和超过20 mA/cm2的CO电流密度。此外,催化剂还可以维持超过12小时的CO2还原活性,且形貌没有发生明显改变。