多孔银电极的制备及其用于CO2电还原性能的研究

摘要

CO2电化学还原是解决温室效应及实现CO2资源化利用的有效途径。银是一种良好的可将CO2选择性还原为CO的电催化剂。但目前普通Ag片电极存在电流效率较低、电极易中毒失活等问题。本研究以提高电极电活性表面积和稳定性为目标，采用氢气泡动态模板法制备具有银纳米颗粒堆积的孔壁、三维立体的多孔结构的银电极，并研究该电极电还原CO2为CO的电催化性能。
　　在多孔银电极制备中，考察了沉积液组成、沉积电流密度、沉积时间等制备条件对电极形貌及CO2电还原性能的影响，确定了制备条件。采用SEM、XRD、EDS表征了电极形貌和组成，结果表明多孔银电极沉积层孔壁由粒径为40～100nm的银纳米颗粒构成，平均孔径约20μm，沉积层厚度约为30μm。多孔银沉积层为多晶结构Ag，电极表面无杂质。循环伏安测试结果表明，与平滑银片电极相比，多孔银电极的电化学表面积约为120倍，CO2还原分电流最高约为3.5倍。
　　将多孔银电极应用于CO2电还原制CO研究中，考察了电解电位、电解液浓度、反应温度等电解反应条件对电极CO2电还原性能的影响。在电解电位为-1.7V、电解液中KHCO3浓度为0.5M、反应温度为25℃时进行恒电位电解反应1h，多孔银电极上反应电流密度可达14mA/cm2，CO电流效率在反应时间内稳定保持在90％以上；而相同条件下平滑银片电极上电流密度仅为7mA/cm2，且在反应1h内CO电流效率由74%降低至58%。电极失活原因探究结果表明，银片电极电解反应后表面部分区域出现的黑色含碳氧的化合物可能是造成银片电极失活的主要原因；而多孔银电极由于电极表面独特的纳米颗粒结构使其在反应中不易发生失活，催化稳定性更高。
　　通过Tafel测试对反应机理进行了研究，发现多孔银电极与银片电极上CO2电还原的速率控制步骤相同，均为CO2得一个电子变为吸附态的CO2-的过程。采用旋转圆盘电极装置减小扩散控制影响后，反应电流密度增加为21mA/cm2。在电极稳定性进行考察中，多孔银电极在持续反应4h内表现出良好的稳定性；而在重复使用三次过程中，随使用次数增加，平均电流密度逐渐降低，SEM结果表明这是由于重复使用过程电极表面的部分银颗粒发生了脱落。

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第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 CO2电还原反应相关理论

1.3 CO2电还原反应研究进展

1.4氢气泡动态模板法制备多孔电极材料

1.5本文的研究内容

第二章 实验方法

2.1 仪器与设备

2.2化学试剂

2.3电极表征方法

2.4电化学测试方法

2.5实验方法

2.6产物检测与数据分析

第三章 氢气泡模板法制备多孔银电极

3.1沉积液组成对多孔银形貌影响及其CO2电还原性能影响

3.2 电沉积参数对多孔银形貌影响及其CO2电还原性能影响

3.3 多孔银电极的结构及形貌表征

3.4 本章小结

第四章 多孔银电极上CO2电还原过程研究

4.1 循环伏安测试

4.2反应条件对CO2电还原反应的影响

4.3 恒电位电解反应

4.4 Tafel测试

4.5 多孔银旋转圆盘电极上CO2电还原反应

4.6 本章小结

第五章 电极稳定性考察

5.1长时间电解反应

5.2电极重复使用性考察

5.3本章小结

第六章 结论与建议

6.1结论

6.2 建议

参考文献

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