自支撑AuCu纳米多孔合金的制备及电催化还原CO2性能研究

来源 :天津理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ppt20041
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电催化还原二氧化碳是目前解决温室效应问题的有效方法,该反应因为能在常温常压下,使用可再生电力作为能量来源,将CO2还原为增值化学原料或燃料而被人们广泛研究。在该领域,铜由于自身价格低廉,且能将CO2还原为多种碳氢产物而备受人们关注。然而纯铜在电催化还原二氧化碳反应(ECR)中由于过电位较高、选择性较低,且析氢严重而不能广泛应用。本文采用温和的氧化刻蚀方法成功制备Au3Cu和AuCu3催化剂,并在ECR中对一氧化碳(CO)表现出了高活性和选择性。具体内容如下:(1)在室温下,利用Fe3+溶液刻蚀Au20Cu80得到纳米多孔Au3Cu。HRTEM,XPS和EXAFS揭示了合成的纳米多孔Au3Cu的表面富金,且具有不饱和配位环境,为ECR提供了丰富的活性位点。合成的纳米多孔Au3Cu为条带状,在ECR中可以直接用作工作电极,在-0.7 V(vs.RHE)电位下,相对于CO表现出98.12%的高法拉第效率(FE),是纯相纳米多孔Au的1.47倍。密度泛函理论和Hirshfeld电荷分布表明,Au3Cu具有最低的*COOH(被质子化的二氧化碳分子)吸附自由能,以及较低的CO解吸能,且相对于纳米多孔Au对于中间体*COOH形成了更稳定的双齿吸附。这不仅为在自支撑的纳米多孔金属上进行表面工程设计提供了便捷方法,也为纳米级合金催化机理研究提供了新证据,同时也为温室气体能源转化与环境问题的处理提供了新选择,并有望在能量催化方面得到应用。(2)通过改变Fe3+的浓度,成功合成具有Au-Cu核和富Au壳的整体式纳米多孔核-壳材料AuCu3@Au。所获得的纳米多孔电极在-0.6 V(vs.RHE)的条件下FE(CO)为97.27%,此时CO的分电流密度为5.3 m A cm-2。相对于Au3Cu不仅降低了成本,也保持了CO的高活性和高选择性。而且由于铜含量较高获得了具有良好延展性的23 cm长的纳米多孔AuCu3@Au条带状电极,该电极在-0.7V vs.RHE下,有功电流达到37.2 m A,且所制备电极材料性能明显优于大多数催化材料。通过可控调节得到高性价比优异性能的材料,这为ECR的工业化提供了一种途径。
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