山东大学：《物理化学》课程教学资源（讲义资料）二氧化碳电催化还原

二氧化碳电催化还原 小组成员:仲家豪、房小骞、张茗民、谭皓原、陈鸿源

二氧化碳电催化还原 小组成员：仲家豪、房小骞、张茗民、谭皓原、陈鸿源

目录 基本介绍 电催化CO2还原研究概况 电催化CO2在单晶锕表面还原合成三碳产物 其他的电还原催化剂 总结与展望

目录  基本介绍  电催化CO2还原研究概况  电催化CO2在单晶铜表面还原合成二碳产物  其他的电还原催化剂  总结与展望

基本介绍 研究背景、衡量电催化剂性能的关键指标

基本介绍 ——研究背景、衡量电催化剂性能的关键指标

研究背景 》过量废气排放已经导致大气中二氧化碳含量不断攀升, 带来气候变化、海洋酸化等一糸列潜在威胁。遏制甚至 逆转这一趋势的方亲之一,是发展先进的人工固碳技术, 以捕捉大气中的CO2,实现碳中性。 电催化C0O2还原可得到一余列有商业价值的产物

研究背景  过量废气排放已经导致大气中二氧化碳含量不断攀升， 带来气候变化、海洋酸化等一系列潜在威胁。遏制甚至 逆转这一趋势的方案之一，是发展先进的人工固碳技术， 以捕捉大气中的CO2，实现碳中性。  电催化CO2还原可得到一系列有商业价值的产物

衡量电催化剂性能的关键指标 》过电位与电流密度。 法拉第效率。 》稳定性

衡量电催化剂性能的关键指标 过电位与电流密度。 法拉第效率。 稳定性

电催化CO2还原研究概况 电催化CO2还原的难度

电催化CO2还原研究概况 ——电催化CO2还原的难度

电催化CO2还原的难度 CO2自身化学惰性高。 》存在多种还原产物。反应存 在多种路径。各种路径之问 相互竞争,导致产物成分复 杂,对特定还原产物(尤其 ≯Co2在水中的嵱解度低。且 是复杂还原产物)的选择性 与碳酸、碳酸氫根、碳酸根往往不高。 等物种存在动态平衡,这些 物种均难以直接在电催化条 件下被还原。 存在副反应

电催化CO2还原的难度  CO2自身化学惰性高。  CO2在水中的溶解度低。且 与碳酸、碳酸氢根、碳酸根 等物种存在动态平衡，这些 物种均难以直接在电催化条 件下被还原。  存在多种还原产物。反应存 在多种路径。各种路径之间 相互竞争，导致产物成分复 杂，对特定还原产物(尤其 是复杂还原产物)的选择性 往往不高。  存在副反应

电催化CO2在单晶铜表面还原合成二碳产物 简介、反应机理(CO二聚机理)CHO+CO偶联机理)

电催化CO2在单晶铜表面还原合成二碳产物 ——简介、反应机理（CO二聚机理）（CHO+CO偶联机理）

简介 与生成一碳产物过程相比,三碳及多碳产物的生成涉及碳-碳偶联步骖,这在动 力学上是二级反应,不利于与析氫副反应的竞争,因此法拉第效率更低。目前实 验宝阶段的催化剂,催化生成一碳产物的法拉第效率可达95%以上,而二碳产物 的法拉第效率则一般为60%左右,三碳产物目前最高为21%,一般在10%以下 目前最具前景的目标产物是一氧化碳、甲酸和乙烯,此外,乙醇作为一种重要的 剂、液态燃料和生产诸多化工产品的原料,也是电催化CO2期望得到的一种二 碳产物

简介  与生成一碳产物过程相比，二碳及多碳产物的生成涉及碳-碳偶联步骤，这在动 力学上是二级反应，不利于与析氢副反应的竞争，因此法拉第效率更低。目前实 验室阶段的催化剂，催化生成一碳产物的法拉第效率可达95%以上，而二碳产物 的法拉第效率则一般为60%左右，三碳产物目前最高为21%，一般在10%以下。  目前最具前景的目标产物是一氧化碳、甲酸和乙烯，此外，乙醇作为一种重要的 溶剂、液态燃料和生产诸多化工产品的原料，也是电催化CO2期望得到的一种二 碳产物

CO二聚机理 Lowest overpotential pathways to C2 species 吸附在Cu(100)表面的两个CO分子在 电极极化作用下通过电子转移过程发 HO 生偶联,形成二聚体C2O2 》首先,指向表面以外的帶有较多负电 荷的O原子发生加氫,形成* HOCC (H+e) (H"+e (H"+e) 中间体,该中间体进一步加氩脱水形 成气CCO,此肘碳碳双键已经形成。 C Ha (H+e) 接下来三步加氨先后发生在QC原子、 H 羰基0原子、C原子上,生成一种 重要的中间体CH2CHO。 后的加氫反应可能存在两种路徑: H+e (1)若碳碳双键保留,加氫发生在与O原 H CHCH,OH 子相连的C原子上,生成乙烯发生脱附 H2o H-C- H (2)若碳碳双键打开,生成CH3CHO中间 体,进而经历两步加氫生成乙醇

CO二聚机理  吸附在Cu(100)表面的两个CO分子在 电极极化作用下通过电子转移过程发 生偶联，形成二聚体*C2O2 –。  首先，指向表面以外的带有较多负电 荷的O原子发生加氢，形成*HOCCO 中间体，该中间体进一步加氢脱水形 成*CCO，此时碳碳双键已经形成。  接下来三步加氢先后发生在α-C原子、 羰基O原子、α-C原子上，生成一种 重要的中间体*CH2CHO。  后续的加氢反应可能存在两种路径: (1)若碳碳双键保留，加氢发生在与O原 子相连的C原子上，生成乙烯发生脱附 (2)若碳碳双键打开，生成*CH3CHO中间 体，进而经历两步加氢生成乙醇