摘要
日益严峻的大气二氧化碳(CO2)浓度高值问题和化石能源危机让CO2资源化技术的开发和发展受到广泛关注。电还原CO2技术具有清洁高效、产物可控、反应效率高等优点，表现出广阔的应用前景和工业化价值。铜(Cu)基材料可电还原CO2为高附加值多碳(C2+)化学品，但仍存在产物分布广泛、催化活性低与稳定性差等问题。本文合成了具有不同特定形貌的氧化亚铜(Cu2O)纳米颗粒，并深入探究Cu2O形貌对其电还原CO2产物选择性的影响;进一步，以Cu2O为前驱体，通过原位表面重构得到Cu2O-oc@CuBTC核壳结构催化剂，实现了 C2+产物选择性、催化活性和稳定性的强化，并对其催化机理进行深入研究;最后，为了强化电还原CO2传质过程，构建了基于气体扩散电极的流动电解池体系，为电还原CO2大规模工业化应用提供一定的借鉴。 首先，采用常温湿化学法，通过调控表面活性剂的添加量，成功合成一系列具有不同形貌特征的Cu2O纳米颗粒，结果表明Cu2O的晶面结构对其电还原CO2产物选择性的重要影响。暴露更多(100)晶面的Cu2O-cu对C2H4产物具有较高的选择性(30.95％);随着Cu2O(111)/(100)晶面比例的增大，CO2还原产物的选择性由C2H4逐渐转向CH4;而暴露更多(111)晶面的Cu2O-oc则对CH4具有更高选择性(28.4％)。 进一步，以Cu2O纳米颗粒作为前驱体，通过原位重构法制备了 Cu2O-oc@CuBTC核壳结构催化剂，其在-1.05 VRHE电位下的产物选择性之比C2H4/CH4提高了 6.7倍，并实现了 6 h的稳定催化表现;对反应前后的催化剂进行XRD、XPS等相关表征，证明了 Cu2O-oc@CuBTC对C2+产物的催化稳定性来自于CuBTC层对Cu2O中Cu+物种的保护作用。 最后，为推进所制备催化剂在电还原CO2领域的实际应用，设计并构造了流动电解池体系，并在该体系中对催化剂的性能进行评价。Cu2O-oc@CuBTC气体扩散电极在-400 mA cm-2高电流密度下实现了对C2+产物高达64.21％的选择性制备(其中乙烯39.77％，乙醇19.01％，正丙醇5.43％)，以及高达-256.8 mA cm-2的高部分电流密度(乙烯-159.1 mA cm-2,乙醇-76.0 mA cm-2,正丙醇-21.7 mA cm-2),并保持了长达6.5 h的稳定催化表现。性能测试结果证明了通过改进反应器体系提高电还原CO2效率的实际可行性，并将C2+产物部分电流密度提高到了百毫安级，推动了改性催化剂Cu2O-oc@CuBTC在电催化还原CO2领域的工程化应用。
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