煤基氮掺杂碳材料的制备及其电催化还原CO2性能研究

摘要

近年来，为应对大气中二氧化碳浓度迅速升高所带来的严重环境问题，二氧化碳转化技术逐渐受到越来越广泛的关注。在众多二氧化碳转化技术中，电催化还原技术由于具有反应条件温和、产物可控性强及环境友好等优点，成为近年来研究的热点，其中电催化剂作为二氧化碳电化学还原过程中的核心技术被广泛研究。目前，碳材料以其低成本、高稳定性等特点被认为是最具潜力的新型电催化剂。煤炭作为中国广泛存在的化石能源，其过度的开采和广泛应用于燃烧发电及供暖是造成中国环境问题和温室效应的主要原因，对其进行合理绿色化利用是解决能源与环境问题的一种有效方式。由于煤炭本身具备较高的芳香性，是一种理想的碳材料前驱体，故本文选用煤作为碳源前驱体，结合球磨、炭化、浸渍以及活化等技术手段，成功制备了高选择性氮掺杂煤基多孔碳材料和金属氮碳催化剂，研究揭示其结构与电催化性能间的构效关系。主要研究工作内容如下： （1）以中国烟煤为原料，经球磨，酸洗后，通过高温氨气刻蚀技术制备了煤基氮掺杂多孔碳材料。实验中研究了刻蚀温度、煤化程度对材料中氮掺杂量、氮种类、孔道结构以及电化学还原性能的影响。结果表明，以焦煤为原料，刻蚀温度为1100℃合成的氮掺杂多孔材料在过电势为490mV时，一氧化碳的法拉第效率高达92%。经过8h反应后，一氧化碳的法拉第效率仍能保持在80%左右且电流密度无明显衰减（~1.0mA cm-2），证明材料具有较好的稳定性。经计算，塔菲尔斜率值仅为163mV dec-1，证明了材料具有较明显的反应动力学优势。 （2）以KOH活化脱灰焦煤制备的活性炭为原料，经硝酸镍溶液浸渍并与氮源尿素按照一定比例混合均匀后高温碳化，制备了镍氮碳多孔材料。实验中研究了镍、氮以及热解温度对材料电催化性能的影响。结果表明，经650℃热解的煤基镍氮碳多孔材料在过电势为890mV时，一氧化碳的法拉第效率高达93%。在此电位下持续电解10h后，产物一氧化碳的法拉第效率仍能保持在80%以上，且电流密度基本保持在4mA cm-2左右，证明材料具有良好的选择性、稳定性和电催化活性。材料中Ni-N、高吡啶氮含量和大比表面积为反应提供了丰富的催化活性位点，而丰富的介微孔则有利于反应物和产物的快速传输，从而使材料表现出优异的电催化性能。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 CO2电催化还原概述

1.1.1 引言

1.1.2 电催化反应体系

1.1.3 电催化反应机理

1.1.4 电催化性能评价相关参数

1.2 电催化还原催化剂

1.2.1 金属催化剂

1.2.2 非金属催化剂

1.3 电解液

1.4 本文选题背景、依据及研究内容

1.4.1 选题背景和依据

1.4.2 研究内容

2 实验部分

2.1 实验试剂

2.2 实验设备

2.3 材料表征相关仪器、设备

2.4 实验操作

2.4.1 盘状电极的抛光使用说明

2.4.2 电极材料制备步骤

2.4.3 电化学还原性能测试操作步骤

3 煤基氮掺杂多孔碳材料的制备及其电催化还原CO2性能研究

3.1 引言

3.2 煤基氮掺杂多孔碳材料的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1 材料结构表征

3.3.2 电催化还原CO2性能分析

3.4 不同煤阶的煤基氮掺杂多孔碳材料性能研究

3.4.1 催化剂的制备

3.4.2 材料结构表征

3.4.3 不同煤阶煤基催化剂电催化还原CO2性能分析

3.5 本章小结

4 煤基镍氮碳多孔材料的制备及其电催化还原CO2性能研究

4.1 引言

4.2 煤基镍氮碳多孔碳材料的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 煤基镍氮碳多孔材料材料结构表征

4.3.2 煤基镍氮碳多孔材料电催化还原CO2性能研究

4.3.3 碳化温度对煤基镍氮碳多孔材料结构及电催化还原CO2性能的影响研究

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢

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