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利用可再生能源,将二氧化碳(CO2)电化学还原生成高附加值的化学品或燃料,既可以减少CO2排放,又能将可再生能源转变为高能量密度的燃料储存,对缓解当前所面临的环境危机和能源短缺等问题具有重要的现实意义。碳纳米管作为一种新型的性能优良的碳材料,已广泛用作金属催化剂的载体材料应用在CO2电还原反应中。本论文即基于CO2电还原反应,研究了碳纳米管表面含氧官能团和杂原子掺杂对其负载纳米金属催化剂以及催化CO2还原反应的影响。取得的主要研究结果如下:(1)通过原位化学还原法分别在表面含氧官能团以羧基、经基、羰基为主的三种碳纳米管上负载Ag纳米粒子得到三种Ag基催化剂(Ag/CNT-COOH、Ag/CNT-OH和Ag/CNT-CO)。研究发现,Ag/CNT-COOH由于表面羧基含量最高,其负载的Ag纳米粒子具有最为均匀的粒径和分布,这是因为表面羧基可以使银前驱体更好地锚定成核。此外,羧基相对较低的pKa值也使得它具有比羟基和羰基更强的质子供给能力。电化学结果表明,相比于其它两者,Ag/CNT-COOH在高过电势下(E≤-1.0 V vs.RHE)表现出最高的CO电流密度和法拉第效率,而在低过电势时(E>-0.9 V vs.RHE)则相反,这是因为其具有更强的质子供给能力和更快的电子转移,可以促进表面质子向CO2电还原或析氢反应中间体的转化。(2)采用不同的热处理法分别合成了氧、氮和硫掺杂的碳纳米管,三者的电化学结果表明,氧和硫掺杂的碳管基本无CO2还原活性,而氮掺杂碳管则对CO2还原具有较好的的催化效果,在-1.0 V(vs.RHE)时可以达到最高94%的CO法拉第效率。(3)在三种掺杂改性的碳纳米管上分别负载Au纳米粒子,得到Au/CNTs-OT、Au/CNTs-N和Au/CNTs-S三种催化剂。由于不同杂原子掺杂的碳管对Au的锚定作用机制不同,造成Au的粒径分布情况不同。电化学结果表明,CNTs-N负载Au之后的CO2还原活性没有明显改善,而析氢活性却增加明显;Au/CNTs-S则表现出最佳的CO2还原活性和选择性,在-0.8 V时能达到97%的CO法拉第效率,并且具有优异的电化学稳定性。研究发现,催化活性除了与载体的粒径效应有关外,载体与Au之间的电子效应也是主要的影响因素。理论计算表明,氮掺杂碳管对Au的吸电子效应降低了 Au的表面电荷,这在一定程度上促进了析氢反应的发生;硫掺杂碳管对Au的给电子效应则可以显著降低生成中间体*COOH所需的反应活化能,从而促进CO2向CO的转化。