缺陷氮化硼负载镍/铜基纳米催化剂及其电催化二氧化碳还原性能研究

编号：CYYJ04502

篇名：缺陷氮化硼负载镍/铜基纳米催化剂及其电催化二氧化碳还原性能研究

作者：邓卫珍

关键词： 氮化硼; 镍单原子; 铜基催化剂; 电催化; 二氧化碳还原;

机构： 江西师范大学

摘要： 随着工业的发展,大气中的二氧化碳（CO2）浓度逐年增加,引起一系列环境问题。电催化二氧化碳还原（CO2RR）技术可将CO2转化为高附加值化学品（如CO、C2H4等）,是实现碳中和及资源循环利用的重要途径。然而,当前CO2还原催化剂普遍存在CO2分子活化困难、反应的产物选择性低、稳定性差等问题,阻碍了其进一步工业化应用。因此,开发兼具高选择性与高稳定性的CO2还原催化剂迫在眉睫。研究发现通过载体负载金属活性位点是一个很好的选择,一方面载体可以稳定活性中心;另一方面载体效应能够优化电子结构以定向调控选择性。氮化硼凭借其高化学稳定性、丰富的本征配位原子,在作为CO2还原催化剂载体方面具有显著潜力,其结构中氮（高电负性）和硼（高电负性）的交替排列也为催化剂电子调控提供更多可能性。本论文围绕氮化硼（BN）负载金属催化剂的创新设计及其电催化性能展开研究,主要内容包括: （1）缺陷氮化硼负载镍基催化剂及其电催化二氧化碳还原性能。以尿素、硼酸与氨基化碳纳米管（CNT）为原料,通过高温热解合成BN@CNT,随后使用H3PO4刻蚀引入缺陷,并通过冷冻干燥与高温退火的方法制备了Ni0.05/P-eBN@CNT催化剂。采用多种表征技术证明BN成功包覆于CNT表面并且Ni以单原子形式存在。电化学性能测试显示催化剂在H型电解池（H-cell）中（电解液为0.5 M KHCO3）CO法拉第效率达97.6%±1.2%（-0.9 V vs.RHE）,催化性能在50小时内没有明显下降,说明催化剂稳定性良好。另外,在流动型电解池（Flow-cell）中（电解液为0.5 M KHCO3）CO的法拉第效率为98.4±1.8%,说明了催化剂在两种电解池中均对CO有优异的选择性。原位红外光谱揭示了CO2→*COOH→*CO→CO的反应路径。 （2）缺陷氮化硼负载铜基催化剂及其电催化二氧化碳还原性能。相较于CO,多碳(C2+)产物具有更高的经济效益但是也更难调控。为实现C2+产物的转化,本文通过水热法在通过硼酸刻蚀的B-eBN@CNT载体上生长氧化铜纳米片（Cu O NSs）,成功制备Cu O0.4 NSs/B-eBN@CNT复合催化剂。实验表征结果显示Cu O纳米片负载于载体表面,并在电解后重构为铜单质并暴露（110）晶面。流动型电解池测试表明,该催化剂在150 m A·cm-2电流密度下对乙烯（C2H4）法拉第效率为49.5%,选择性显著提升,优于纯CuO纳米片与B-eBN@CNT载体。 本文通过缺陷工程与载体设计,成功开发出兼具高活性、高选择性的镍基与铜基催化剂,为CO2RR电催化剂的理性设计提供了新思路。