纳米分子筛修饰电极的组装及其在CO2转化反应中的应用

Efficiently and greenly recovery and utilization of CO2 becomes a global strategic research topics.Activation of CO2 inserting epoxy compounds to synthesis of organic carbonates, whose atom economy is 100%, could be achieved at room temperature and under atmospheric pressure by electrocatalysis. On the other hand, nano-zeolite has excellent shape-selective catalytic ability, and the surface adjustable resistance, which allows the wide usage in catalysis. In this project, nano-zeolite willbeassembledon substrate to obtain nano-zeolite modified electrode (nano-ZME), and to be used in electrocatalytic activation of CO2 to synthesis organic carbonates to further improve the conversion and current efficiency. The conditions for synthesis of nano-zeolite, assemble the electrode and electrolysis will be investigated systematically. The channel effects of zeolite, the size effect of nano-metal particles towards the electrocatalytic reaction will be studied. We also hope the study would lay a theoretical foundation for the electrochemical utilization of CO2 and preparation of new high efficient electrocatalytic zeolite materials.

如何高效绿色地回收利用CO2是全球各国的战略性研究课题。电催化活化CO2插入环氧化合物制备有机碳酸酯的反应原子经济性达100%，且可在常温常压下实现，完全符合绿色化学的要求。另外一方面，纳米分子筛优异的择形催化能力、表面可调性等特点，广泛应用于催化领域。本项目拟结合上述几方面的特点，将纳米沸石分子筛组装至基底电极表面构成纳米分子筛修饰电极，并将其运用于电催化活化CO2合成有机碳酸酯的反应中。以期借助于纳米分子筛的特点进一步提高目标反应的转化率和电流效率等。在研究过程中，详细讨论分子筛制备、修饰电极组装、电解合成等条件对目标电催化反应的影响。阐明分子筛载体的孔道效应、金属纳米粒子的尺寸效应等，探讨具体的催化过程机理，为拓展该类催化材料在电化学固定利用CO2中的应用和构建更多高效的纳米分子筛修饰电极材料奠定理论基础。

CO2的高效绿色固定利用是目前全球的战略性研究课题。分子筛和介孔碳材料由于其巨大的比表面、规整的孔道结构、良好的稳定性等特点在各大领域，尤其是催化方面表现出了巨大的应用前景。本项目结合上述方面，针对目标电催化反应，设计制备高效、稳定性的分子筛和介孔碳复合材料，具有重要的理论和实际意义。首先，利用涂覆法、二次生长法和原位水热合成法等设计制备了一系列过渡金属Ag负载的分子筛修饰电极（Ag-SBA-15/GC，Ag-Y/SS，Ag-ZSM-5/SS等），并将其成功应用于卤代物电催化羧化固定利用CO2的反应中，得到的目标羧酸化产物产率是普通Ag电极的1.5倍。结合各项表征手段，详细考察了各个制备条件对材料组成、结构、形貌和电催化性能的影响，进而探讨材料的构效关系规律。接着，引入导电能力更好的介孔碳，设计制备了一系列过渡金属负载的介孔碳修饰电极（Ni/OMC，OMC-Ag，MC-P-Ag等），大大提高了材料的电催化活性和稳定性。结合材料的表征发现：材料的介孔结构在电催化过程中具有特殊的选择性。通过本项目的研究，针对电催化羧化固定利用CO2反应，成功设计制备了多种金属负载的分子筛和介孔碳复合材料，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。