多孔锡电极的制备及其用于CO2电化学还原性能的研究

摘要

CO2电化学还原反应是一种温和、高效的CO2转化方式，具有很好的应用前景，也为储存太阳能、风能、潮汐能等间歇性能源提供了一种有效方法。In，Sn, Hg和Pb等高析氢电位的金属对CO2电化学还原制备甲酸具有很高的选择性。其中Sn这种无毒、价格低廉的金属成为理想的阴极材料。氢气泡动态模板法制备多孔金属材料具有成本低、易于操作、不用去除模板剂等优点。这种方法制备的多孔材料具有良好的气液通道、高电化学表面积和粗糙的表面形貌。为制备CO2电化学还原的阴极多孔材料提供一种有效的方法。
　　本文采用氢气泡动态模板法，在铜基底上制备了3D多孔锡电极。通过考察电流密度、沉积液组成等电沉积条件对多孔锡电极形貌和CO2电还原性质的影响，确定了适宜的制备条件为：电解液组成是1.2M HCl，0.01MSnCl2，0.01M柠檬酸钠；电沉积的电流密度为4A·cm-2；冰水浴中沉积1min。采用SEM、EDS、XRD和循环伏安法对3D多孔锡沉积层进行表征。SEM结果表明多孔锡沉积层具有自组织的灌木丛状三维多孔结构，同时EDS分析表明电极表面无杂质。XRD表征表明在Cu基底和Sn沉积层交界处有Cu5Sn6合金生成，加强了两者之间的连接。根据循环伏安法测试电化学表面积，多孔锡电极的电化学表面积大约是锡片电极的6倍。
　　将制备的多孔锡电极用于CO2电化学还原制甲酸。电极的循环伏安测试结果表明，多孔锡电极比锡片电极具有更高的电流密度，和更正的CO2还原电位。通过考察 KHCO3浓度、还原电位、反应温度对还原过程的影响，确定 KHCO3浓度为0.5M，还原电位为-1.7V vs. SCE，还原温度为5℃时，甲酸的电流效率可达73.9％。Tafel曲线研究表明多孔锡电极和锡片电极上的CO2的电还原具有相同的速率控制步骤，即CO2得到一个电子生成·CO2ads-的过程。探讨了CO2电还原过程的电化学阻抗谱与电极反应过程之间的关系，结果表明 CO2电还原过程的电阻抗谱分为三个部分：高频线性半无限扩散区、中频法拉第阻抗电容性半圆区和低频吸附态弛豫电容性半圆区。最后多孔锡电极的重复使用性研究表明多孔锡电极的催化效果下降了，沉积层的脱落可能是造成催化效果下降的原因。

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前言

第一章 文献综述

1.1 温室气体CO2

1.2 CO2的基本性质

1.3 CO2 的利用现状

1.4 CO2 的电化学还原

1.5 锡电极上CO2电还原的研究

1.6 多孔金属电极

1.7 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 电极的物理表征

2.4 电化学测试方法

2.5 实验方法

2.6 产物分析

第三章 锡电极的制备

3.1对Cu基底的预处理和形貌表征

3.2 恒电位沉积法制备纳米层锡电极

3.3 氢气泡动态模板法制备3D多孔锡电极

3.4 本章小结

第四章 3D多孔锡电极上CO2电还原过程的研究

4.1 循环伏安测试

4.2 电还原条件对生成甲酸电流效率的影响

4.3 CO2恒电位电解反应

4.4 Tafel测试

4.5 CO2电还原的电化学阻抗

4.6 电极的重复使用性

4.7 本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢