基于离子液体的二氧化碳电催化还原研究

摘要

二氧化碳(CO2)是最主要的温室效应气体，同时是最廉价又丰富的碳资源，其资源固定化的研究具有深远的意义。但是二氧化碳热力学特性稳定，难以活化，传统的活化法需在高温高压的条件下进行。电化学活化CO2能直接通过电子作反应试剂，条件温和，方法简单，对环境友好，是一种极其有效的方法。本论文采用循环伏安的方法，研究了离子液体[bmim]PF6溶液中二氧化碳的电化学还原行为。具体研究内容如下:
　　(1)综述了CO2的固定方法、电极材料和电解质溶液对CO2电还原的影响，离子液体性质及其在CO2的固定转化方面应用的研究进展。
　　(2)使用单体2-甲基咪唑和1，5-二氯-2，4-二硝基苯通过化学聚合制得聚离子液体poly[Dbz-mim]Cl，使用离子液体1-苄基-3-甲基咪唑六氟磷酸通过电化学聚合制得poly[bzmim]PF6，并用核磁共振、红外光谱对聚离子液体的结构进行了表征。
　　(3)通过化学聚合的方法制备了poly[Dbz-mim]Cl/泡沫镍修饰电极和石墨-poly[Dbz-mim]Cl/泡沫镍修饰电极，所制得的聚合物膜修饰电极都表现了较好的电催化活性。在温和条件下，单室型电解池中，采用循环伏安法研究了离子液体[bmim]PF6溶液中二氧化碳在薄膜修饰电极上的循环伏安行为，考察了电极材料、扫描速度、温度、搅拌情况对CO2电还原行为的影响;将修饰电极应用于CO2的电催化还原，结果表明，poly[Dbz-mim]Cl/泡沫镍修饰电极能明显地降低CO2的还原过电位，CO2的还原电位在-1.2V附近。以粉状石墨复合的石墨-poly[Dbz-mim]Cl/泡沫镍修饰电极还原CO2，CO2的还原过电位进一步降至-0.68V，结果表明，石墨-poly[Dbz-mim]Cl/泡沫镍修饰电极对CO2具有更好的催化还原作用。
　　(4)通过电化学聚合的方法制备了poly[bzmim]PF6/Au修饰电极和TiO2-poly[bzmim]PF6/Au修饰电极，所制得的聚合物膜修饰电极都表现了较好的电催化活性。在温和条件下，单室型电解池中，采用循环伏安法研究了离子液体[bmim]PF6溶液中二氧化碳在修饰电极上的电催化还原行为，考察了电极材料、扫描速度、温度、搅拌情况对CO2电还原行为的影响;将修饰电极应用于CO2的电催化还原，结果表明，poly[bzmim]PF6/Au修饰电极能明显地降低CO2的还原电位，CO2的还原电位在-1.44V附近。以纳米TiO2掺杂的TiO2-poly[bzmim]PF6/Au修饰电极还原CO2，CO2的还原过电位进一步降至-0.95V，结果表明，TiO2掺杂到poly[bzmim]PF6/Au修饰电极的表面进一步提高了电极对CO2电还原的催化活性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 二氧化碳电化学还原的研究背景

1．2 固定转化CO2的途径

1．2．1 地质法封存固定CO2

1．2．2 生物法固定CO2

1．2．3 化学法固定CO2

1．3 CO2的电化学转化

1．3．1 电极材料对CO2电化学还原的影响

1．3．2 电解质溶液对CO2电化学还原的影响

1．4 离子液体的概述

1．4．1 离子液体的性质和发展史

1．4．2 离子液体的分类

1．4．3 离子液体的合成

1．4．4 离子液体在电还原CO2方面的应用

1．4．5 离子液体聚合物

1．5 本课题研究的意义和内容

第2章 CO2电催化材料的制备与表征

2．1 实验部分

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．1．3 离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐的合成

2．1．4 聚离子液体poly[Dbz-mim]Cl的化学制备

2．1．5 聚离子液体poly[bzmim]PF6的电化学制备

2．2 结果与讨论

2．2．1 离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐红外光谱结果及分析

2．2．2 聚离子液体poly[Dbz-mim]Cl的结构表征及分析

2．2．3 聚离子液体poly[bzmim]PF6的电化学特征及表征

2．3 小结

第3章 CO2在石墨-poly[Dbz-mim]Cl／泡沫镍修饰电极上的电催化还原

3．1 实验部分

3．1．1 实验药品

3．1．2 实验仪器

3．1．3 薄膜修饰电极的制备

3．1．4 CO2的电化学还原

3．2 结果与讨论

3．2．1 镍电极的电化学循环伏安研究结果

3．2．2 poly[Dbz-mim]Cl／泡沫镍修饰电极的电化学循环伏安研究结果

3．2．3 石墨-poly[Dbz-mim]Cl／泡沫镍修饰电极的电化学循环伏安研究结果

3．2．4 扫描速率对二氧化碳还原峰电位和峰电流的影响

3．2．5 温度对二氧化碳电还原峰电位和峰电流的影响

3．2．6 搅拌电解液对二氧化碳电还原峰的影响

3．2．7 不同修饰电极对二氧化碳长时间电稳定性对比

3．2．8 修饰电极的重现性与稳定性

3．3 小结

第4章 CO2在TiO2-poly[bzmim]PF6／Au修饰电极上的电催化还原

4．1 实验部分

4．1．1 实验药品

4．1．2 实验仪器

4．1．3 薄膜修饰电极的制备

4．1．4 CO2的电化学还原

4．2 结果与讨论

4．2．1 金电极的电化学循环伏安研究结果

4．2．2 poly[bzmim]PF6／Au修饰电极的电化学循环伏安研究结果

4．2．3 TiO2-poly[bzmim]PF6／Au复合修饰电极的电化学循环伏安研究结果

4．2．4 扫描速率对二氧化碳还原峰电位和峰电流的影响

4．2．5 温度对二氧化碳电还原峰电位和峰电流的影响

4．2．6 搅拌电解液对二氧化碳电还原峰的影响

4．2．7 不同修饰电极对二氧化碳长时间电解稳定性对比

4．2．8 修饰电极的重现性与稳定性

4．3 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢