过渡金属配合物电催化氢化CO2制甲醇的研究

甲醇（CH3OH）是最简单、最安全、最容易储存和运输的液体碳氢氧化物。即可以作为能源储备和燃料，又可以作为化学原料。CO2是最主要的温室气体，对全球大气环境造成了严重的破坏，若能直接利用CO2来生产甲醇具有非常重要的实际意义。本项目拟在温和条件下，以金属配合物为催化剂电还原CO2制备甲醇，从而削弱析氢竞争反应、并减少其他还原产物的生成，使整个过程更加绿色、低碳、高效、专一。借助于对电催化行为、催化反应的研究，分析催化剂组成结构与催化性能的内在联系；考察反应条件对目标催化反应的影响，结合量化计算和循环伏安模拟，推测催化反应机理、掌握催化过程本质，从而为设计制备更为高效的催化剂、反应体系提供理论基础。

CO2是最主要的温室气体，对全球大气环境造成了严重的破坏，若能直接利用CO2来生产即可作为能源储备和燃料、又可作为化工原料的甲醇、乙醇之类的液体碳氢氧化合物具有非常重要的实际意义。本项目拟在温和条件下，设计制备合成的催化剂材料，电还原CO2制备醇类化合物。一方面，利用高温氧化法、电沉积法、电位阶跃法和水热法等制备了各类氧化铜电极材料，并将其应用于CO2的电催化还原反应中，主要得到了乙醇和丙醇等醇类产物。详细考察了各种反应条件对电催化反应的影响。在球形纳米结构的CuO上，乙醇的电流效率最高可至34%；而在气体扩散电极装置中，15 nm粒径的CuO材料上，乙醇和丙醇的总电流效率可达50%。另一方面，设计制备了PYD@Pd、PYD@Cu-Pd及PYD@Cu-Pt等几种有机金属掺杂的纳米材料，运用XRD、SEM、EDX、TEM、FTIR、BET、UV-Vis等技术对其颗粒的结构、形貌、组成等进行了表征，证明PYD被成功地诱捕于金属内。并将其应用于电催化还原CO2体系中，表现出了优异的电催化性能：-0.6 V处可以得到大量的甲醇；而在-1.2 V处可以选择性地得到乙醇。而且此类材料具有很好的稳定性，可以长时间重复使用。通过本项目的研究，针对电催化还原CO2制备醇类化合物，成功设计制备了多种纳米催化材料，尤其是高效、稳定的有机金属掺杂纳米材料，为CO2的绿色高效利用提供提供了新的思路；考察了制备条件与电催化性能的相关性，为新型高效电催化材料的设计制备奠定了理论基础。