混合离子液体电解质中CO2电催化转化为重要有机化学品的研究

Being abundant renewable energy sources, utilization of CO2 as a feedstock for producing chemicals presents thermodynamic and kinetic barriers. Electrochemical method is one of the most promising approaches for sequential conversion of CO2 to valuable chemicals. Ionic liquid/water solution provides both medium and proton source for electrocatalytic reduction of CO2, leading to a green route for CO2 conversion. In this project, sets of basic, neutral and acidic ionic liquids are selected. CO2 is reduced on various metal electrodes and sets of ionic liquids will be applied as electrolytes. The ionic liquid/water/electrode and ionic liquid mixture/water/electrode will also be designed to improve the conversion efficiency of the electrolysis system. The synergistic effect of ionic liquid mixtures will be studied and the reaction conditions will be optimized for electrocatalytic reduction of CO2 to formic acid, methanol, ethanol and other alcohols. However, it is important to find a way to improve the conversion efficiency of the reduction process. Then systematic investigation will be carried out to find the effects of structure and properties of ionic liquid, the molecular interactions studying by quantum chemical calculations and molecular dynamics simulations, and figure out the scientific issues involved in the process of CO2 reduction. This research will lay the foundation for developing an efficient approach for electrochemical conversion of CO2.

CO2资源化利用具有重要意义，但涉及热力学和动力学两大难题。采用电化学方法是解决这些难题的有效途径之一。在离子液体中，以水为氢源，将CO2还原为重要碳氢化合物是一个刚刚起步的重要研究方向。本项目拟设计和筛选具有碱性、中性、酸性的离子液体，分别以单一离子液体和混合离子液体为电解液，采用不同金属为电极材料，设计一系列离子液体/水/电极、混合离子液体/水/电极体系，对CO2电催化还原生成甲酸、甲醇、乙醇等醇类化合物进行深入研究，采用量子化学和分子动力学模拟方法研究体系中的分子间相互作用。探索反应中产物选择性、电流效率、电极稳定性等随离子液体结构和组成、电解液配比、电极材料性质、电流密度等因素的变化规律和机理，研究电解液与CO2间的相互作用对电化学反应的影响，探究混合离子液体为电解液时不同离子液体间的匹配与协同效应规律，筛选最佳电化学反应体系和条件，为电化学方法清洁高效转化CO2奠定科学基础。

温和条件下二氧化碳（CO2）高效转化为重要化学品是重要的前沿课题， 但涉及热力学和动力学两大难题。采用电化学方法在温和条件下转化CO2是解决这一难题的有效途径之一。本项目选用一系列离子液体、离子液体/水、离子液体/有机溶剂、离子液体/有机溶剂/水等电解质溶液，构建一系列电解液-催化材料电催化体系将CO2选择性还原为一氧化碳、甲酸、甲烷、甲醇和乙酸等重要碳氢化合物。本项目以离子液体混合溶剂为电解质，廉价电极上高效催化还原CO2为甲酸，且该体系可显著提高还原产物效率及有效降低还原反应过电位。本项目采用离子液体/乙腈混合溶剂为电解液，在无金属材料上即可高效电催化还原CO2制备一氧化碳。成功设计了原位制备泡沫铜负载硫化亚铜电极的方法，用于高效电催化还原CO2制备甲酸。本项目首次发现离子液体/金属有机骨架体系可协同电催化还原CO2，提高甲烷的选择性。成功实现了在无金属电催化剂/离子液体/水体系中，高效制备甲烷；本项目采用铜普鲁士蓝多孔材料/离子液体混合体系，发现这一体系对甲酸有较高的选择性。本项目首次发现以钼/铋双金属硫化物为催化材料，离子液体/水混合溶剂为电解液，可高效还原CO2为甲醇, 且选择性显著优于已报道的所有结果。本项目研究了在铜（I）/碳掺杂氮化硼电极上，高效电催化转化CO2制备乙酸的电催化路径, 实验表明，这一体系对乙酸的生成有重要协同作用。设计了一系列掺杂电极材料，并采用离子液体混合溶剂为电解液，电催化CO2、水和硝基苯合成N, N-二甲基苯胺。本项目首次报道了以质子型离子液体为介质，常压促进CO2转化合成恶唑烷酮的反应规律和机理。本项目取得了一系列创新性研究成果，在Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Sci., Green Chem. 等期刊发表SCI论文11篇，其中影响因子大于10的3篇，大于8的6篇。培养博士研究生4人，硕士研究生2人。