摘要
随着现代工业的不断发展，CO2含量逐渐超出地球所能承受的范围，并造成严重的气候和环境等问题。探索减少或利用CO2的方法尤显重要。利用可再生电能将CO2电催化还原成碳氢化合物，不但是降低CO2含量和缓解温室效应的有效方法，而且也为解决能源问题提供有效的手段。本文采用廉价的锌盐作为金属前驱体，葡萄糖、壳聚糖、三聚氰胺作为碳、氮前驱体，制备一系列锌基碳催化材料，并用于CO2电催化还原（CO2RR），主要内容如下： （1）以葡萄糖为碳前驱体，碳酸钾为盐模板，高温焙烧制备碳纳米片，表征结果表明，碳酸钾盐模板起剥离效果，最终可以获得厚度较薄的碳纳米片；之后在碳纳米片上负载氧化锌，利用氧化锌和碳纳米片在高温下发生碳热反应，进而在碳纳米片表面制造缺陷，并考察其电催化CO2还原性能。结果表明，随着碳材料缺陷度的增大，催化剂电催化CO2还原性能呈现先增大后减小趋势，缺陷度为0.975的催化剂表现出最佳CO2RR催化性能；但是，缺陷碳材料电催化CO2还原的整体性能较差。 （2）以葡萄糖/三聚氰胺为碳、氮前驱体，碳酸钾为盐模板剂，高温碳化制备（掺氮）碳材料，通过液相沉淀法制备一系列（掺氮）碳材料负载氧化锌复合催化材料ZnO/(N)CNS，并考察其电催化CO2还原性能。结果表明，氧化锌能够提升碳材料电催化CO2还原的选择性和催化活性；相比于ZnO/CNS，掺氮碳材料负载氧化锌所得的ZnO/NCNS，具有更高的CO法拉第效率，最佳条件下制备的材料50-ZnO/NCNS，具有良好的电催化CO2还原活性和CO选择性，在0.1M KHCO3电解质溶液中，在?1.2V vs.RHE电位下，CO法拉第效率达最大，为90.9%，此时CO的分电流密度为?3.3mA·cm?2，CO的产率为61.58μmol·cm?2·h?1；在?1.2V vs.RHE电位下，在11.5h稳定性测试中，CO选择性由90.9%降至59.1%左右，液相甲酸的法拉第效率为23.8%，锌元素溶解在电解液中，是导致催化剂性能下降的主要原因；催化剂中的ZnO在CO2电催化过程中会部分还原成锌单质；氧化锌和锌共同存在有利于提高催化剂电催化CO2还原活性。 （3）以氯化钠作为盐模板，壳聚糖和硝酸锌分别作为碳氮源和锌源，高温碳化，制备锌、氮共掺杂碳材料，并用于电催化CO2还原。结果表明，硝酸锌和氯化钠在高温下有利于催化剂形成丰富的孔洞结构，增加催化剂的比表面积和活性位点，提高催化剂电催化CO2还原性能；优化获得的Zn1.5-N-C-s-900-1100具有最佳的电催化CO2还原性能，在0.1M KHCO3电解质溶液中，在较宽电位窗口范围内，将CO2电催化转化为CO的法拉第效率均达90%以上，在?0.7V vs.RHE最佳电位下，催化CO2转化为CO的法拉第效率高达97%，此时CO的分电流密度为?2.2mA·cm?2，CO的产率为42.07μmol·cm?2·h?1；在长达46h稳定性测试过程中，CO的平均法拉第效率达90.7%，H2的平均法拉第效率为9.9%，表现出良好的催化性能和稳定性。
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