晶面控制与硫缺陷助力CO_2电催化还原转化CO

【摘要】：随着现代工业的快速发展和化石燃料的广泛使用,大气中CO_2的浓度不断上升导致温室效应,进而导致一系列的气候问题。将CO_2循环利用到多种具有经济价值的化学品和燃料中,是有效缓解能源短缺问题的途径。其中,电催化还原CO_2被证明是一种可控、高效的方法,将太阳能电池和电解电池结合起来电化学还原二氧化碳,可以有效地将太阳能转化为燃料和化学品。(1)采用简单的添加CTAB的方法对锌催化剂的晶面进行了调节控制,优先暴露的Zn(101)面的锌电极对CO_2合成CO具有较高的法拉第效率(FE)和良好的稳定性。同时,通过原位红外吸收光谱和密度泛函理论计算,研究了CO_2在锌电极上的电还原机理。(2)采用简单的溶剂热法制备了一种新型电催化剂CdS-CNTs,该催化剂在CO_2电化学还原为CO的过程中,FE超过95%。随着反应时间的增加,CdS-CNTs表面的硫空位增多,同时CO_2还原的催化活性也增加。利用原位红外方法、结合DFT的计算发现,硫空位的形成改变催化剂表面的电子密度,减少反应中间体转换的能量势垒,促进CO_2电化学还原为CO。在自然光照条件下进行了光-电化学转化,晴天时,CEsolar-CO为1.65%,CO和H_2的产率分别为274.7和20.3μmol h~(-1) cm~(-2);阴天时,CE_(solar-CO)为5.64%,CO和H_2的产率分别为73.5和8.7μmol h~(-1) cm~(-2)。太阳能电池板在自然光条件下与CO_2电化学还原相结合,预示了一个有希望的应用前景。