摘要
近年来，CO2过量排放所引发的全球变暖等环境问题引起全世界的广泛关注，将CO2电催化转化为液体燃料和增值化学品，为解决能源危机和全球变暖问题提供了有希望的解决方案。 CO2电还原涉及多个反应，其中经过两电子反应生成的CO和甲酸是选择性最高的两种产物。CO可作为工业过程（费托合成）的原料，用于生产各种重要的化学品；甲酸在燃料电池中的广泛应用和客观的经济价值受到了人们的极大关注。石油沥青是石油炼化中的低价值产品，为了实现其高附加值利用，降低催化剂的生产成本。我们选择石油沥青为碳源，制备碳材料并与金属复合，实现对CO2电还原反应的高效催化。本文的主要研究内容如下： （1）以石油沥青为碳源，碳酸钾为模板，通过一步煅烧的方法制备了石油沥青基多孔碳材料，进一步通过氨气的刻蚀进行氮掺杂，提高了碳材料中吡啶氮的含量及其比表面积。研究发现石油沥青的碳化温度对氨气刻蚀的效果有显著影响，在800℃下所制备的NPC-800材料在-0.9V（vs.RHE）电压下，CO法拉第效率为82%，与氨气刻蚀前的碳材料相比性能有大幅度提升。其优异的性能归因于高吡啶氮含量与较高的比表面积，为CO2的电还原提供了丰富的吸附位和大量活性位。 （2）以石油沥青基碳材料为碳底，通过物理吸附的方法使金属离子均匀分散在碳材料表面。尿素作为氮源进行N掺杂，在高温煅烧的过程中锚定金属，形成高性能的Ni-Nx-C单原子催化剂。在-1.0V（vs.RHE）电压下，CO的法拉第效率最高达到93%，较纯的碳材料以及氮掺杂的碳材料性能有了明显的提升，证明了金属和氮共掺杂是提升碳材料催化CO2电还原制CO性能的有效策略。 （3）通过简单的水热法，在石油沥青基多孔碳表面负载Bi2O3纳米片，超薄的纳米结构有利于Bi活性位点的充分暴露。在-1.1V（vs.RHE）电位下，甲酸的法拉第效率达到96%。此外，将该催化剂在自制的流动型电解池中进行了电化学测试，在150mAcm-2的电流密度下甲酸的法拉第效率可达90%，在200mAcm-2的电流密度下，甲酸的法拉第效率可以达到82%。
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