电催化还原二氧化碳.ppt
电催化还原二氧化碳知识讲解
Co、Sn、In、Bi等
甲酸
Au、Ag、Zn、Pd等 Cu、Cu-Au、Cu-Sn等
CO CO、醇、酸、烷烃等
Al、Ga、Pt、Fe等
催化效率很低
醇
金属材料——钯
3.7/6.2/10.3 nm尺寸Pd的TEM 图像和HRTEM图像
不同尺寸Pd还原CO2为CO的 法拉第效率和电流密度
Pd(111)、Pd(211)、Pd55和 Pd38还原CO2为CO的自由能
Au/CeOx界面上生成CO的法拉第效率远高于Au和Ce， 因为Au/CeOx界面促进了CO2在CeOx上的吸附和活化
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652−5655
导电聚合物、生物酶等
用吡啶盐将二氧化碳 电催化还原为甲醇
用碳酸酐酶将二氧化 碳电催化还原为甲醇
J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 11539–11551
金属/金属氧化物——Co/CoO
在四原子厚超薄钴/氧化钴纳米材料中， 氧化钴的存在提高了材料电催化还原 CO2为甲酸的活性和选择性
红线：四原子厚的部分氧化的钴层 蓝线：四原子厚的钴层 紫线：部分氧化的块状钴 黑线：块状钴
Nature.VOL 529. 7 January 2016
金属/金属氧化物——Au/CeOx
Journal of Power Sources 252 (2014) 85-89
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19969−19972
金属/金属氧化物——Cu/Cu2O
铜电极表面Cu2O的存在，可 以提高电催化还原CO2为甲醇、 甲酸等的法拉第效率和电流 密度，可以降低还原过电位
ACS Catal. 2014, 4, 3091−3095
电催化二氧化碳还原的反应物和中间体的富集
电催化二氧化碳还原的反应物和中间
体的富集
电催化二氧化碳还原（ECR）是一种将二氧化碳（CO2）转化为有价值的化学品和燃料的技术。
在这个过程中，反应物和中间体的富集对于提高反应效率和产物选择性至关重要。
反应物的富集是指提高二氧化碳和电解液中电解质的浓度，以增加反应物之间的接触机会，从而促进反应的进行。
这可以通过使用适当的气体扩散电极或电解液循环系统来实现。
中间体的富集则是指在电催化过程中，控制和优化中间体的生成和转化，以提高产物的选择性和收率。
这可以通过选择合适的催化剂、电解液和操作条件来实现。
例如，在电催化二氧化碳还原过程中，中间体如甲酸（HCOOH）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH4）的富集对于产物的选择性和收率具有重要影响。
通过选择适当的催化剂和电解液，可以调控中间体的生成和转化途径，从而提高目标产物的选择性。
此外，反应物和中间体的富集还可以通过优化电解液组成、温度、压力和电流密度等操作条件来实现。
这些因素的调控可以影响反应物和中间体在电极表面的扩散和传质过程，从而影响反应的速率和产物的分布。
总而言之，电催化二氧化碳还原过程中反应物和中间体的富集是提高反应效率和产物选择性的关键因素。
通过合理的设计和优化，可以实现高效、选择性的二氧化碳转化，为可持续能源和化学品的生产提供有前景的技术途径。
最新二氧化碳电化学还原ppt课件
将闲散的非常规能量加以储存, 缓解能源危机,且没有新的CO2排放；
利用太阳能、风能、地热能、潮汐能等可再 生能源，以及核电站、水电站低谷用电时的 弃电;
阴极反应：CO2(g)+ne-=CO HCOOH HCHO CH3OH 阳极反应：4OH--4e-=2H2O+O2
9.小草和大树
贫苦中奋争 写作中受挫 思考中转型 努力中成功
• 夏洛蒂 •安恩 • 艾米莉
《呼啸山庄》 《简 ·爱》 《艾格尼斯 ·格雷》
三、名著便览——《简.爱》
《简.爱》写了一位灰姑娘的奋斗史。 一百多年来，无数人阅读这本书， 有一个 同样的原因——被简.爱的崇高精神和人格 魅力深深吸引；每个人都被这样的话语征 服：“我们是平等的……至少我们通过坟墓， 平等地站到上帝面前。“它几乎成为全世界 妇女必读的经典之作。
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苏教版语文六年级上册复习要点 第三单元
9.小草和大树
一、生字词： 训诫 陡峭 寥寥无几 堪称 逆境 撇下 权衡 毅力 屹立 二、重点字音 脱颖而出（yǐng） 惴惴不安（zhuì） 驰骋（chěng） 桂冠（guān） 嗷嗷待哺（bǔ）
三、重点解释
要强好胜（喜欢）
02 硼掺杂金刚石（BDD） 在有机电解液（甲醇和高氯酸四丁铵的混合溶 液）中对于产物甲醛的 FE 最高达到了 74%
结构多样 环境友好 比表面积大 活性位点突出
导电性能良好 物理化学性能稳定 价格低廉及储量丰富
03
CO2RR电解质
.
电化学二氧化碳还原
电化学二氧化碳还原
电化学二氧化碳还原是一个新兴的技术，可将二氧化碳（CO2）
还原成可再利用的含有碳元素的产物。
它是一种技术，可将气态
二氧化碳分解、固定和利用，可用于生物、化学和工业制造上用途。
二氧化碳还原对环境保护和改善具有重要意义，可以将大量自然
界积累的碳分解、固定，减少CO2在大气中的含量，并使CO2
脱离大气环境，减少温室效应、改善空气质量和减少酸雨。
它可
以转化为碳循环的有机材料，以便存储，长期地把碳固定在有机
物中，减少CO2对环境的不良影响。
二氧化碳还原过程中，铂催化剂和电极可以激发还原反应，使二
氧化碳分子能够与另外的原料发生反应，从而产生含碳的有机物，被称为碳氟化物。
碳盐和碳源是反应的催化剂，可让CO2的原子以新的凝聚形式与其它原料结合，从而制备碳氟化物。
电化学二氧化碳还原技术一方面可以抑制和减少CO2排放，另一方面可以产生多种有用的有机产物，例如，氢气、甲醇和各种烃类，作为可再生化学原料。
因此，电化学二氧化碳还原既属于清洁能源开发技术，又可以降低温室气体排放，促进能源高效利用，实现可持续发展，值得深入研究和发展。
二氧化碳的电化学还原
小结
1.制备的CuO/TiO2 复合物修饰Cu电极对CO2的光电催 化还原表现较高的活性，还原的起始电位在-0.63 V。 2.制备的CuO/TiO2 复合物修饰Cu电极对CO2的光电催 化还原为羧酸类和醇类小分子有较好的选择性。 3. 制备的CuO/TiO2 复合物修饰Cu电极对CO2的光电 催化还原有较好的稳定性。
CO2 (g) + 4H+ + 4e → HCHO (aq) + H2O E0 = -0.48 V
CO2 (g) + 2H+ + 2e → CO (g) + H2O
E0 = -0.52 V
CO2 (g) + 2H+ + 2e → HCOOH (aq)
E0 = -0.61 V
2CO2 (g) + 2H+ + 2e → H2C2O4 (aq)
本文的设想和目的
利用纳米薄膜和具有特殊物理性质 的纳米复合物及催化剂修饰电极， 使得修饰电极对CO2电化学和光电化 学还原有较好的催化性。
1. CO2在CuO/TiO2-Cu修饰电极上
2.
的光电化学还原
本部分工作首先制备了CuO/TiO2复合物修 饰Cu电极，并对CO2在这种修饰电极上的 光电化学还原行为和催化活性进行了研究。
CO2电化学和光电化学还原的发展趋势
今后 CO2电化学和光电化学还原的研究将更多地集中在以下几个方面： （1）将更多地采用有机溶剂溶解CO2并且利用低温技术 （2）电极采用不同的金属，金属氧化物及合金并控制反应温度以选 择生成物 （3）利用气体扩散电极增加CO2的压强促进反应 （4）利用有机络合物多层膜修饰电极，使产物为更复杂的有机物 （5）对于光电化学还原，反应装置的设计能够大规模地聚集太阳光， 使之能充分利用光能。 （6）研究高效的分离技术，使得产物最好能及时从反应体系中分离 出来。
二氧化碳电化学还原[优质PPT]
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Saveant 等人分别在一价离子（Li+，Na+）和二价离子（Mg2+，Ga2+，Ba2+）的电解 质中用铁(0)卟啉作为催化剂进行了 CO2 电还原。 通过实验他发现不同电解质中催化活性的顺序为 Mg2+=Ga2+>Ba2+>Li+>Na+。
3 镍（Ni）、铁（Fe）、铂（Pt）等
这类金属催化剂由于自身析氢过电位较低，所以主要产物为 H2；
4 铜（Cu）
研究表明铜箔在不同的条件下可以产生 16 种不同的 CO2 电还原产物，并且因为其 独特的电催化性能在反应过程中可以吸附和转化中间产物*CO，所以产物主要以 甲烷（CH4）和乙烯（C2H4）为主。
02 金属氧化物表现出更好的催化活性 MoO2 在乙腈和二甲基甲酰胺等有机溶剂中能够表现出 较强的 CO2 还原催化活性，Oh 等人发现 MoO2 在乙腈 与四丁基六氟磷氨酸（TBAPF6）中 CO2电还原的初始 点位小于 0.2 V，并且反应在-20℃下比在室温下表现出 更强的催化活性。
Chen Y., Kanan M. W. Tin oxide dependence of the CO2 reduction efficiency on tin electrodes and enhanced activity for tin/tin oxide thin-film catalysts [J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(4): 1986-1989.
02 2 氧化金属催化剂
01 金属氧化物比金属单质拥有更高的电流密度和 基底上电沉积了一层 SnOx 薄膜， 通过测试发现相较于纯的锡箔拥有更独特的催化性能，与在表 面自然生长一层 SnOx 的 Sn 电极相比前者的电流密度是后者的 8 倍，并且法拉第效率也达到了 4 倍的提升。
二氧化碳电化学还原概述
二氧化碳电化学还原概述二氧化碳（CO2）电化学还原是一种将CO2转化为高附加值化学品的技术，它可以减少CO2的排放并促进可持续发展。
电化学还原是通过在电极上施加电压来引发氧化还原反应，将CO2从气体相转化为液体或固体产品。
CO2电化学还原的研究起源于20世纪50年代，当时科学家们开始探索将CO2作为一种廉价的原料转化为化学品的可能性。
然而，由于CO2分子的化学稳定性和高能量要求，这项技术的发展进展缓慢。
近年来，随着环境问题和可再生能源的重视，CO2电化学还原引起了越来越多的关注。
CO2电化学还原的关键是选择合适的电催化剂，以降低CO2的能垒并提高反应效率。
常用的电材料包括贵金属（如银、金、铜等）、过渡金属（如镍、铁等）以及有机分子（如多孔材料、碳纳米管等）。
贵金属是高效的CO2电催化剂，但存在成本高和资源稀缺的问题，因此研究人员一直在寻找更低成本的替代品。
CO2电化学还原的挑战之一是选择合适的溶液体系和电解质，以提供足够的反应活性和选择性。
一种常用的溶液体系是含有碱金属离子（如Na+、K+等）的溶液，它可以提供高电子导电性和电化学反应的碱度。
然而，这种体系中也存在碱金属的沉积问题，需要通过合适的电极材料和工艺进行有效地控制。
除了选择合适的电催化剂和溶液体系，CO2电化学还原还需要考虑反应动力学和传递过程等因素。
研究人员通过改变电极形貌、调节电解质浓度等方法来提高CO2电化学还原的效率和选择性。
此外，使用催化剂表面修饰、核-壳结构和多孔材料等技术，也有助于提高CO2电化学还原的效果。
目前，CO2电化学还原技术仍处于研究和开发阶段，尚未实现大规模商业化应用。
然而，随着科学家们对CO2电化学还原机理和反应动力学的深入理解，相信其可持续发展的前景是乐观的。
潜在的应用领域包括能源存储、化学品合成和环境保护等。
通过进一步研究和工程实践，CO2电化学还原有望成为一种可持续发展的解决方案，为减少碳排放和实现低碳经济做出贡献。
路易斯酸电催化二氧化碳还原
路易斯酸电催化二氧化碳还原
路易斯酸电催化二氧化碳还原是一种利用路易斯酸作为催化剂，通过电化学方法将二氧化碳还原为有用化合物的过程。
在这个过程中，路易斯酸作为催化剂，可以促进二氧化碳的还原反应。
同时，电化学方法提供了一个有效的能量来源，使得还原反应可以在较低的温度和压力下进行。
具体来说，路易斯酸电催化二氧化碳还原的过程可以分为以下几个步骤：
电解液中的路易斯酸与二氧化碳反应，生成相应的路易斯酸盐和碳正离子。
碳正离子在电极上发生还原反应，生成相应的有机化合物。
有机化合物在电极上进一步发生电化学反应，生成最终的产品。
需要注意的是，路易斯酸电催化二氧化碳还原的过程需要控制适当的反应条件，如温度、压力、电流密度等，以确保反应的顺利进行和产物的选择性。
此外，该过程还需要注意环保和安全性问题，避免对环境造成污染和危害。
因此，在实际应用中，需要综合考虑各种因素，选择合适
的催化剂和反应条件，以确保过程的可持续性和经济性。
wo3电催化二氧化碳还原
wo3电催化二氧化碳还原电催化二氧化碳还原是一种研究领域正在蓬勃发展的技术，它可以将二氧化碳转化为有用的化学品和燃料。
这项技术对于解决环境问题和能源危机具有重要意义。
二氧化碳是一种温室气体，它的大量排放导致了全球变暖和气候变化。
通过电催化二氧化碳还原，我们可以利用电能将二氧化碳转化为其他化学物质，如甲醇、乙醇和丙烯酸等。
这些产品可以作为燃料使用，也可以用于化工行业的生产。
电催化二氧化碳还原的关键是使用电催化剂来促进反应发生。
电催化剂是一种能够在电流的作用下加速化学反应的物质。
它可以降低反应的能量需求，并提高反应的效率。
目前，许多材料被用作电催化剂，如金属、合金和碳材料等。
在电催化二氧化碳还原过程中，电流通过电催化剂，使二氧化碳分子发生还原反应。
这些反应的产物可以根据需要进行进一步加工和利用。
例如，甲醇可以作为燃料使用，乙醇可以用于酿造酒精，丙烯酸可以用于制造塑料等。
电催化二氧化碳还原技术虽然具有巨大的潜力，但目前仍面临一些挑战。
首先，二氧化碳的还原需要大量的能量输入，因此需要寻找高效的电催化剂和能源来源。
其次，催化剂的稳定性也是一个问题，因为反应过程中会产生一些副产物，这些副产物可能会降低催化剂的活性。
为了克服这些挑战，科学家们正在积极开展研究工作。
他们正在寻找更好的电催化剂，设计新颖的反应体系，并探索可再生能源的利用。
通过这些努力，电催化二氧化碳还原技术有望成为解决环境问题和能源危机的重要手段。
电催化二氧化碳还原是一项具有巨大潜力的技术，它可以将二氧化碳转化为有用的化学品和燃料。
虽然目前仍面临一些挑战，但科学家们正积极开展研究工作，以推动这项技术的发展。
相信在不久的将来，电催化二氧化碳还原技术将为解决环境问题和能源危机提供重要支持。
电化学还原二氧化碳
电化学还原二氧化碳在环境净化领域，电化学还原二氧化碳(Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide,ERCD)作为一种绿色能源技术，已引起了学术界和企业界的广泛关注。
ERCD技术利用太阳能、水和二氧化碳产生循环氢经济特定的化学反应，覆盖多个环节，从二氧化碳捕获直至石化而成的有机分子路径。
ERCD技术又称电化学还原二氧化碳协同处理技术，其本质是利用对反应池内的二氧化碳进行还原来发电。
其基本原理是：利用太阳能，将二氧化碳转换成由活性炭、硅酸铁等组成的绿色可再生能源。
在池内体系中，在太阳能照射作用下，活性碳将二氧化碳还原，分解为CO2和H2，活性碳的活性将有氧二氧化碳还原为无氧的碳和氢气，产生的氢气可进一步用于发电。
当前实现ERCD所需的技术目前仍然受到一定的限制，但随着近年来材料技术和电化学技术的飞速发展，ERCD的发展潜力巨大。
ERCD技术主要具有以下几个优点：首先，ERCD技术实现了以太阳能、二氧化碳和水为原料的非碳排放路径。
在实际应用中，ERCD电池可以使用廉价的太阳热发电技术，不仅可以降低碳排放，还可以展现出电池系统的高效性。
其次，ERCD技术不仅可以使用太阳能，也可以使用其它弱碳源，如燃气发电等。
由于燃气能源的灵活性，也可以提高ERCD技术的效率。
第三，ERCD技术的能源混合性非常强，可以同时驱动来自多种能源的转换路径。
如，可以同时利用太阳能和碳气化处理阶段的热量，用于ERCD系统的动力输出，从而提高系统的效率。
最后，ERCD技术将二氧化碳从空气中捕获，利用太阳能将其转化成由碳原料制成，消耗碳密集型电能，节省再生能源，推动转变经济，有效使用碳排放量。
因此，ERCD技术具有强大的发展前景，将发挥重要的作用。
但也有一些技术发展的潜在瓶颈和未来改进方向，如提升输出电压、降低电催化转换耗能等，这些问题都势必成为ERCD技术发展的热点。
未来，ERCD技术界将持续开发，朝着更加可持续、有效和可靠的方向发展，为有效降低碳排放，净化环境提供借鉴。
电催化还原二氧化碳
金属/金属氧化物——Au/CeOx
Au/CeOx界面上生成CO的法拉第效率远高于Au和Ce， 因为Au/CeOx界面促进了CO2在CeOx上的吸附和活化
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652−5655
导电聚合物、生物酶等
用吡啶盐将二氧化碳 电催化还为甲醇
金属材料——银
纳米孔银电极催化材料， 可以在过电位低于0.5V 的条件下，高选择性的把 CO2还原成CO
Nature Communications，2014，5:3242 － 3247．
金属材料——Cu/Au
Cu/Au合金纳米材料对CO2选 择性催化还原产生醇的法拉 第效率远高于铜电极
Journal of Power Sources 252 (2014) 85-89 J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19969−19972
CO2
酯
醇
金属材料——钯
Pd(111)、Pd(211)、Pd55和 Pd38还原CO2为CO的自由能 3.7/6.2/10.3 nm尺寸Pd的TEM 图像和HRTEM图像 不同尺寸Pd还原CO2为CO的 法拉第效率和电流密度
J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288−4291
金属材料—铜
与电抛光法和溅射法得到的 Cu 电极表面相比， Cu 纳米颗粒覆盖的表面更容易电还原 CO2生成 碳氢化合物和CO
Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 76–81
在Cu电极表面制备泡沫 铜，可以使还原CO2产 生 HCOOH的法拉弟电 流效率达到29% ACS Catal. 2014, 4, 3091−3095
J. Am. Chem.Soc. 2012, 134, 1986−1989
电催化还原二氧化碳.ppt
CO CO、醇、酸、烷烃等
Al、Ga、Pt、Fe等
催化效率很低
醇
金属材料——钯
3.7/6.2/10.3 nm尺寸Pd的TEM 图像和HRTEM图像
不同尺寸Pd还原CO2为CO的 法拉第效率和电流密度
Pd(111)、Pd(211)、Pd55和 Pd38还原CO2为CO的自由能
J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288−4291
Hale Waihona Puke 面临的挑战： 1.催化活性低； 2.产物选择性低； 3.催化剂稳定性/耐久性不足； 4.对机理的理解研究不足； 5.电极和系统未能优化到可以用于实际。
未来研究的方向： 1.探索新的电催化剂以提高催化活性，优化金属电极的形态、尺寸、结 构等，制备金属/金属、金属/金属氧化物等复合材料； 2.通过实验和理论模拟进一步理解反应机理； 3.优化电极、反应器和系统设计以应用于实际。
金属/金属氧化物——Sn/SnOx
在 Sn/SnOx体系中，由于SnOx的作用， 与Sn电极相比，虽然还原CO2的过电 位相近，但反应电流密度高出数倍
J. Am. Chem.Soc. 2012, 134, 1986−1989
金属/金属氧化物——Co/CoO
在四原子厚超薄钴/氧化钴纳米材料中， 氧化钴的存在提高了材料电催化还原 CO2为甲酸的活性和选择性
金属材料—铜
与电抛光法和溅射法得到的 Cu 电极表面相比， Cu 纳米颗粒覆盖的表面更容易电还原 CO2生成 碳氢化合物和CO
Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 76–81
在Cu电极表面制备泡沫 铜，可以使还原CO2产 生 HCOOH的法拉弟电 流效率达到29%
二氧化碳的电化学还原精品PPT课件
二氧化碳电化学还原的实验装置
二氧化碳电化学还原的可能反应途径
在经常的析出氢气的电位（相对于饱和甘汞电极）范围内，
CO2电化学还原的可能反应途径如下：
CO2 (g) + 8H+ + 8e → CH4 (g) + 2H2O
E0 = -0.24 V
CO2 (g) + 6H+ + 6e → CH3OH (aq) + H2O E0 = -0.38 V
CuO/TiO2修饰Cu电极对CO2还原 的光电催化的稳定性分析
a b
0 10 20 30 40 50 60 70
2 (o)
CuO/TiO2复合物修饰Cu电极的XRD a: 反应前 b:反应7 h后
光电还原产物的定性分析
乙酸
甲酸
甲醇
0
50
100 150 200
t / m in
还原产物色质分析的馏分图
CuO/TiO2修饰Cu电极对CO2还原的光电催化分析
a b
2342
1559
1378
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500
W a v e n u m b e r /c m -1
CuO/TiO2 复合物修饰 Cu电极的FT-IR光谱 a: 反应前 b:反应7h后
E0 = -0.90 V
CO2电化学还原研究进展
目前从电极材料对CO2还原来看， CO2电化学还原分为以下 几个方面： 1.金属电极对CO2的电化学还原，金属的中毒性及对CO2还 原高的氢超电势，使得对CO2还原的法拉第效率比较低及还 原产物的选择性差 。 2.金属气体扩散电极对CO2的电化学还原, 提高了对CO2还原 的电流密度，但还原产物主要是C1-C2化合物。 3.修饰金属电极对CO2的电化学催化还原，降低了对CO2还 原的过电位，提高了电流效率 。 4.半导体及修饰半导体电极对CO2的光电化学还原，提高了 对CO2还原的电流密度，增加了对CO2还原的反应速率。
PPT图解丨铋基二氧化碳还原电催化材料研究进展
3. 铋基催化材料的电化学 CO2 还原
3.3 牺牲模板
牺牲模板法是制备纳米铋基催化剂最常 见的方法。利用各类模板（包括一定形 貌的氧化物、硫化物、卤氧化物等）的 还原转化，可以获得不同结构、含有丰 富活性位点的新型铋基催化材料。
图 5 牺牲模板法合成Bi基电催化剂及CO2还原性能
(4) 法拉第效率 ：反映 CO2 还原反应选择性的一个重要指标。定义为生成某一产物 所需的电荷量占通过工作电极总电荷量的百分比。
(5) 稳定性 ：一种优异的电催化材料还必须具有长期的催化稳定性。通常采用 循环伏安法、恒电位电解法或者计时电位法等进行有效评价。
1. 电催化CO2还原
根据其主要还原产物的种类， 大致可以将这些金属电极材料分成四大类（图 1）。
3. 铋基催化材料的电化学 CO2 还原
3.4 与碳材料复合
铋基催化材料导电性由于结构纳米化而 往往不够理想，限制了性能的进一步提 升。将导电性好、比表面积高的碳材料 作为载体，可以显著提升导电性和催化 活性。
图 6 碳材料复合制备Bi基电催化剂及CO2还原性能
总结与展望
铋作为一种高效率的CO2还原电催化剂，是当前最具前景的甲酸类电催化材料。
金属 Bi 具有和黒磷类似的层状晶体结构，每一层都由翘曲的类蜂窝状结构组成， 层与 层之间主要以较弱的范德华力相互作用。但是， 由于 Bi 较低的熔点和易氧化性， 想 要直接制备获得金属 Bi 的纳米结构存在一定挑战性。
3. 铋基催化材料的电化学 CO2 还原
3.1 电沉积
图 3 电沉积法合成Bi基电催化剂及CO2还原性能
图 2 金属电极在水溶液中电催化还原 CO2 的可能路径
co2电催化还原产业
co2电催化还原产业CO2电催化还原产业是指利用电化学方法将二氧化碳（CO2）转化为有用化学品或燃料的产业。
随着全球气候变化问题的日益严重，CO2的减排和资源化利用成为了亟待解决的问题。
CO2电催化还原技术作为一种可持续发展的解决方案，吸引了广泛的关注和研究。
1. CO2电催化还原技术的原理和优势CO2电催化还原技术是利用电化学反应过程，将CO2分子还原为有机化合物或其他有用化学品。
其原理是在电极表面施加电压，通过电子传递和离子传递的过程，将CO2分子还原为目标产物。
相比传统的热化学还原方法，CO2电催化还原具有能耗低、选择性高、无需高温高压等优点。
2. CO2电催化还原产业的发展现状和趋势随着对气候变化问题的关注度提高，CO2电催化还原产业得到了广泛的关注和投资。
目前，全球范围内已经有多个国家和地区成立了研究机构和企业专门从事CO2电催化还原技术的研发和应用。
许多研究表明，CO2电催化还原技术在实验室中取得了一定的成功，并具备实际应用的潜力。
3. CO2电催化还原产业的应用领域CO2电催化还原产业有广泛的应用领域。
一方面，它可以用于清洁能源领域，将CO2转化为燃料或燃料前体，实现CO2的资源化利用和碳中和。
另一方面，CO2电催化还原技术可以应用于化工领域，将CO2转化为有机化合物，用于生产化学品、塑料等产品。
此外，CO2电催化还原技术还可以用于环境保护领域，将CO2转化为无毒无害的化学品，减少CO2对环境的负面影响。
4. CO2电催化还原产业的挑战和解决方案尽管CO2电催化还原技术具有广阔的应用前景，但在实际应用中仍然面临许多挑战。
首先，CO2电催化还原反应的效率还不够高，需要进一步提高催化剂的活性和稳定性。
其次，CO2电催化还原产业的成本较高，需要降低设备和催化剂的成本，以提高经济性。
此外，CO2电催化还原技术还需要解决产品选择性和寿命等方面的问题。
为解决这些挑战，科学家和工程师们正在开展各种研究工作。
PPT图荐干货丨铋基二氧化碳还原电催化材料研究进展
(5) 稳定性 ：一种优异的电催化材料还必须具有长期的催化稳定性。通常采用 循环伏安法、恒电位电解法或者计时电位法等进行有效评价。
1. 电催化CO2还原
根据其主要还原产物的种类， 大致可以将这些金属电极材料分成四大类（图 1）。
电沉积法是将金属或者合金从其化合物水溶液或非水溶液中通过电化学还原，将金属 原子以一定的形貌沉积在工作电极上的方法。该方法操作简便、工艺灵活，被广泛地 应用在各种金属纳米材料的制备上。
3. 铋基催化材料的电化学 CO2 还原
3.2 超声剥离
超声剥离是一种利用高频率声波在溶液 中的振动，将块体材料剥离成纳米材料 的技术。由于金属 Bi 独特的层状晶体 结构， 使用液相超声剥离法制备其纳米 结构是一种非常合适且有效的途径。
电化学CO2还原技术面临诸多挑战。 1. CO2 属于热力学性质较稳定的化合物， 其 C=O 双键的活化过程需要克服较高
的能量势垒；2. 2. 在水相电解液中，往往会诱导析氢副反应的发生，显著影响 CO2还原反应的选
择性。
因此，深入研究 CO2 还原反应机制，开发高效、稳定、低廉的电催化材料是 CO2 还原的一个关键科学问题。
图 1 CO2 还原电催化材料在元素周期表中的分布
(1) H2选择性金属：Ni、Fe、Pt、Ti等。 具有较强的 CO 吸附能，容易受 CO 毒化而无法发生有效的 CO2 还原反应。
(2) 甲酸选择性金属：Sn、Pb、Bi、In等。 具有较弱的 CO 吸附能。电势较大时 才会发生 CO2 的有效活化。
金属 Bi 具有和黒磷类似的层状晶体结构，每一层都由翘曲的类蜂窝状结构组成， 层与 层之间主要以较弱的范德华力相互作用。但是， 由于 Bi 较低的熔点和易氧化性， 想 要直接制备获得金属 Bi 的纳米结构存在一定挑战性。
安培级co2还原
安培级co2还原
电催化还原CO2将间歇性可再生电力转化为增值液体产品具有广阔前景，但缺乏高性能的电催化剂阻碍了其实际应用。
重庆大学周小元研究员、甘立勇副研究员和韩广研究员等人报道了由Ag纳米粒子和Sn-SnO2颗粒组成的强耦合纳米片，即Ag/Sn-SnO2纳米片（Ag/Sn-SnO2 NSs），具有优化的电子结构，高导电性和更容易接近的位点。
该催化剂表现出前所未有的催化性能，具有超过90%的法拉第效率（FE）、超高的局部电流密度（2000 mA cm-2）和优越的长期稳定性（200 mA cm-2，200 h），超过了已报道的CO2电还原制甲酸的催化剂。
此外，在多孔固体电解质层反应器的膜电极组件中，Ag/Sn-SnO2 NSs作为阴极可在100 mA cm-2下连续产生0.12 M纯HCOOH溶液，超过200 h。
中科院上海高等研究院的陈为、魏伟及孙予罕研究团队设计了铜中空纤维气体透散电极，向三相界面位置提供无限的CO2以突破低CO2溶解度限制，这可以轻松实现在安培级电流密度下电还原CO2。
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红线：四原子厚的部分氧化的钴层 蓝线：四原子厚的钴层 紫线：部分氧化的块状钴 黑线：块状钴
Nature.VOL 529. 7 January 2016
金属/金属氧化物——Au/CeOx
Au/CeOx界面上生成CO的法拉第效率远高于Au和Ce， 因为Au/CeOx界面促进了CO2在CeOx上的吸附和活化
CO CO、醇、酸、烷烃等
Al、Ga、Pt、Fe等
催化效率很低
醇
金属材料——钯
3.7/6.2/10.3 nm尺寸Pd的TEM 图像和HRTEM图像
不同尺寸Pd还原CO2为CO的 法拉第效率和电流密度
Pd(111)、Pd(211)、Pd55和 Pd38还原CO2为CO的自由能
J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 4288−4291
金属材料—铜
与电抛光法和溅射法得到的 Cu 电极表面相比， Cu 纳米颗粒覆盖的表面更容易电还原 CO2生成 碳氢化合物和CO
Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 76–81
在Cu电极表面制备泡沫 铜，可以使还原CO2产 生 HCOOH的法拉弟电 流效率达到29%
ACS Catal. 2014, 4, 3091−3095
电催化还原二氧化碳
CO2的电化学还原过程可以通过使 CO2失
去 2e¯、4e¯、6e¯和 8e¯电子来完成。
CO
CO2的电还原过程比较复杂，反应速率较 慢。
在不同的电极材料、还原电位、电解质、
pH 等反应条件下，生成的产物也多种多样。
酸
CO2
酯
金属电极
主要产物
Co、Sn、In、Bi等
甲酸
Au、Ag、Zn、Pd等 Cu、Cu-Au、Cu-Sn等
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19969−19972
金属/金属氧化物——Cu/Cu2O
铜电极表面Cu2O的存在，可 以提高电催化还原CO2为甲醇、 甲酸等的法拉第效率和电流 密度，可以降低还原过电位
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 72Leabharlann 1−7234金属材料——银
纳米孔银电极催化材料， 可以在过电位低于0.5V 的条件下，高选择性的把 CO2还原成CO
Nature Communications，2014，5:3242 － 3247．
金属材料——Cu/Au
Cu/Au合金纳米材料对CO2选 择性催化还原产生醇的法拉 第效率远高于铜电极
Journal of Power Sources 252 (2014) 85-89
J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5652−5655
导电聚合物、生物酶等
用吡啶盐将二氧化碳 电催化还原为甲醇
用碳酸酐酶将二氧化 碳电催化还原为甲醇
J. AM. CHEM. SOC. 2010, 132, 11539–11551
Electrochem. Solid-State Lett.,2011, 14, E9–E13
金属/金属氧化物——Sn/SnOx
在 Sn/SnOx体系中，由于SnOx的作用， 与Sn电极相比，虽然还原CO2的过电 位相近，但反应电流密度高出数倍
J. Am. Chem.Soc. 2012, 134, 1986−1989
金属/金属氧化物——Co/CoO
在四原子厚超薄钴/氧化钴纳米材料中， 氧化钴的存在提高了材料电催化还原 CO2为甲酸的活性和选择性
面临的挑战： 1.催化活性低； 2.产物选择性低； 3.催化剂稳定性/耐久性不足； 4.对机理的理解研究不足； 5.电极和系统未能优化到可以用于实际。
未来研究的方向： 1.探索新的电催化剂以提高催化活性，优化金属电极的形态、尺寸、结 构等，制备金属/金属、金属/金属氧化物等复合材料； 2.通过实验和理论模拟进一步理解反应机理； 3.优化电极、反应器和系统设计以应用于实际。