摘要
电化学催化二氧化碳还原（CO2RR）为具有高附加值的化学品，能够有效解决碳排放问题和缓解温室效应，有着广阔的应用前景。在众多还原产物中，一氧化碳（CO）作为一种能量价值高且用途广泛的工业原料受到广泛关注。然而，由于CO2分子的热力学稳定性高以及还原过程中不可避免的HER，导致CO2RR仍然存在电流密度较低、过电位高、产物选择性差等问题。尽管贵金属基催化剂（如金（Au）、钯（Pd）和银（Ag））催化活性好以及CO选择性高，是理想的CO2RR催化剂，但昂贵的成本严重阻碍了其工业化发展。因此，开发廉价且高效的非贵金属催化剂对于CO2RR领域的发展至关重要。 大量研究发现非贵金属锌（Zn）及其化合物能够有效催化CO2还原为CO，然而Zn基材料活性位点数量有限，反应速率较低，并且由于金属锌的富电子特性，导致反应中间体在Zn物种上的吸附通常较弱，其催化性能远不如贵金属催化剂。本论文以获得高性能的Zn基催化剂为目标，主要通过设计纳米多孔结构和构筑异质结构来充分暴露活性位点或增强关键反应中间体的形成过程，主要研究内容如下： 首先，利用气泡模板法设计并合成了一种具有分级多孔结构的Zn催化剂，具有高的比表面积和丰富的介孔结构，表现出良好的催化活性和CO选择性。在-1.1Vvs.RHE下，最大法拉第效率为91.3%，CO电流密度为-9.1mA·cm-2，并且在连续电解8小时后仍能保持不错的催化性能，充分展示了多孔结构的优势，为合成其他类型的多孔材料提供了新的思路。但HP-Zn催化剂仍然存在过电位较高，稳定性较差等问题，催化性能有待进一步提高。 之后，通过固相研磨法结合高温热解策略制备了类手风琴状的层状氮掺杂碳负载的Ni4N/Ni3ZnC0.7异质结构催化剂。优化后的Ni4N/Ni3ZnC0.7催化剂具有优异的CO2RR活性，在-0.8Vvs.RHE下，CO的法拉第效率为92.3%，CO电流密度为-14.6mA·cm-2，连续电解30h后，CO选择性也能保持在85%以上。同时将其作为阴极组装为Zn-CO2电池器件时，功率密度为0.85mW·cm-2。密度泛函理论计算结果表明，Ni4N/Ni3ZnC0.7异质结构能够有效促进COOH*中间体的形成，加速电荷转移，提高了催化活性和选择性。
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