论文部分内容阅读
化石燃料的过度开采和利用不仅带来全球能源危机,同时造成大气中CO2浓度急剧攀升,并由此引发一系列环境问题。通过电催化还原技术,利用可再生能源将CO2转化为化学能源或精细化学品,实现碳循环,是上述问题的有效解决方案之一。碳材料作为CO2电化学还原催化剂的重要发展方向,催化性能有待进一步提升。本文基于静电纺丝和模板复制技术,成功制备了高性能氮掺杂纳米碳纤维和纳米多孔碳催化剂,并对其构效关系进行了探索。主要研究工作内容如下:（1）以喹啉基富氮沥青（NP）为前驱体,PAN为助纺剂,通过静电纺丝技术构筑了氮掺杂碳纳米纤维,将其作为电化学还原CO2催化剂,探索了前驱体比例和碳化温度对材料结构和性能的影响。结果表明,碳化温度为1000 oC,NP和PAN质量比为1:1时,材料性能最优,起始过电势仅为90 mV,过电势为590 mV时CO产物FE为60.9%,此时H2产物FE为36.4%,此比例CO和H2可作为费托合成原料制备更高品位C1化合物。塔菲尔斜率证明了材料控速步骤为CO2得到一个e—生成CO2·—的过程（118 mV/dec）。材料优异的电催化性能得益于相互交织的三维纳米纤维结构有效促进了反应过程中的电子传输和质子转移过程,同时材料化学组成和电化学性能对比结果表明了高吡啶氮含量为材料提供了丰富的活性位点。（2）利用软炭前驱体NP液相碳化特点,以纳米碳酸钙为模板,有机融合硬模板法和原位活化技术制备了氮掺杂多孔碳催化剂,表现出了优异的电催化还原CO2性能。结果表明,前驱体和模板质量比为1:5,碳化温度为950 oC时材料催化性能最优,起始过电势为140 mV;过电势为540 mV时,材料CO产物FE高达81.2%,此时H2产物FE仅为15.0%,具有较高的产物选择性,此还原电势下10 h内材料CO产物FE维持在75±5%内,具有优异的循环稳定性。塔菲尔斜率表明了材料控速步骤为CO2得到一个e—生成CO2·—的过程。双电层电容测试证明了材料催化活性与其电化学活性表面积大小呈正相关,相互贯通的孔道结构有利于提高电催化还原过程中气-液-固三相的质子和电子传输速率,同时丰富的孔道结构有利于更大限度的暴露材料内部的活性位点,促进电催化反应进行。