金属有机骨架衍生材料的制备及其CO2电化学还原性能研究

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由于人类对化石能源的过度开采,导致CO2被大量排放到大气中,捕集CO2分子并转化成化石燃料和高附加值的化学品,成为解决环境问题和能源危机的有效手段。CO2电化学还原方法以其反应条件温和、经济可行性高等优点,为解决环境能源问题提供了新的策略。但是,稳定高效的催化剂仍然是CO2电化学还原反应的研究重点。金属有机骨架(MOF)及其衍生材料,具有高比表面积、孔结构可控、化学性质可调等优异的物化性能,具有巨大的电催化潜力。但是,在大多数的MOF在CO2电化学还原反应中的产物主要是C1化合物,尤其是甲酸和一氧化碳,而经济价值更高的醇类化合物却相对较少。因此,MOF几何结构的合理设计,对极大地提高催化剂在CO2电化学还原反应的催化效率,得到高选择性的醇类产物具有重大的研究意义。本研究主要围绕MOF衍生材料结构设计。(1)具有定向结构的复合物GO/ZIF-L衍生的负载Cu/Cu2O纳米粒子的催化剂合成及其CO2电化学还原的研究利用热处理的方法,制备了垂直排列的沸石咪唑酯骨架-L衍生的石墨烯基纳米复合材料负载Cu/Cu2O纳米粒子作为催化剂(Cu GNC-VL)。氧化石墨烯(GO)作为二维沸石咪唑酯骨架-L(ZIF-L)生长的基底,通过原位生长的方法,实现了ZIF-L在GO表面的垂直排列,而后1000℃的高温热处理将引入的Cu2+还原成Cu/Cu2O纳米粒子。Cu GNC-VL负载的Cu/Cu2O纳米复合晶体起主要催化作用,得益于Cu(111)对CO2的不对称化学吸附与Cu2O(111)上C-C耦合的良好动力学和热力学的协同作用,而垂直结构的GO/ZIF-L纳米复合物构建连续的导电网络同样也很重要。在KHCO3水溶液中进行了相关的电化学性能测试,电解实验得到了产率较高的醇类化合物,优于热解的ZIF-L和Cu ZIF-L@GO,在相对于可逆氢电极-0.87 V电位下,达到了70.52%的乙醇法拉第效率和10.4 m A cm-2的电流密度。(2)Cu(I)-MOF(CuTz-1)材料的制备及其CO2电化学还原反应的研究实验同样采用热处理的方法,制备了Cu Tz-1经过不同碳化温度后的催化剂。通过3,5-二苯基-1,2,4-三氮唑和Cu+前驱体甲醇溶液常温下合成,得到了三种不同Cu(I)配位结构的米粒状纳米粒子Cu Tz-1。Cu(I)过渡金属节点是Cu Tz-1 300电催化性能提升的关键,而且低温碳化将骨架中的有机小分子、水分子和杂质挥发,促进了物质在孔道中的传递。相比原始的Cu Tz-1和其他温度碳化后的碳材料,Cu Tz-1 300不论是在催化导电性方面,还是物质电子的传递,都表现出更加优异的性能表现。本实验结合密度泛函理论(DFT)的计算结果,对催化反应的机理进一步解释,从理论上证明了Cu Tz-1高选择性生成甲醇的可能性。通过在KHCO3水溶液中电解实验,发现Cu Tz-1 300电催化还原CO2生成的甲醇产物,实现了较高的选择性。
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