基于碳量子点的全碳催化剂构筑及其电催化还原二氧化碳性能研究

Direct electroreduction of carbon dioxide into fuels is an optimal atom-efficient and process-intensified strategy to achieve the goal of artificial carbon cycling process. Preparation of high-performance and low-cost electrocatalysts is of utmost importance for electroreduction of carbon dioxide. For this propose, carbon quantum dots (CQDs), a new type of carbon nanomaterials, will be employed as an efficient electrocatalyst for electroreduction of carbon dioxide. The project will address the issues of structure control, assembly and selective activation of carbon dioxide in the electrocatalysts based on CQDs. In view of the abundance of coal in China, “molecular tailoring” synthetic method using coal as a precursor to prepare CQDs will be developed. The atom- and electro-structure of CQDs will be tailored by doping strategy, and CQD-based all-carbon electrocatalyts will be designed and constructed by methods such as molecular assembly and electrolytic deposition. The catalysis mechanism of the all-carbon catalysts for electroreduction of carbon dioxide will be explored in detail. This project will shed new lights on the design of novel yet high performance electrocatalysts for carbon dioxide reduction，and will make a contribution to the development of value-added functional carbon materials from coal, in particular the CQDs, and the novel electrocatalysts based on CQDs with tuned structure and performance.

电催化还原二氧化碳为燃料是实现原子经济、过程强化减排二氧化碳温室气体的理想技术方法之一，这一过程的关键在于创制新结构、高性能的电催化剂。本项目拟以新型碳纳米材料—碳量子点为催化材料，围绕碳量子点催化剂的结构调控、复合组装、及二氧化碳电催化转化机理等关键科学问题开展研究。基于我国丰富的煤炭资源优势及其高附加值利用的需求，采用分子剪切之策略，研究建立煤基碳量子点的可控合成新方法；综合采用表面修饰、掺杂等方法，研究揭示碳量子点表面原子和电子结构调变规律；针对电解还原二氧化碳催化剂的特点，有机融合分子组装、电沉积等技术手段，研究建立制备基于碳量子点的全碳催化剂的新技术和调控策略，探索揭示全碳催化材料对二氧化碳还原反应的催化机制及其构效关系。项目的实施将为新型二氧化碳还原电催化剂的设计提供新思路，将丰富和拓展碳量子点材料、二氧化碳催化还原等领域的科学内涵，有重要学术价值和应用潜力。

电催化还原二氧化碳为燃料是过程强化减排二氧化碳温室气体的理想技术方法之一，这一过程的关键之一在于创制新结构、高性能的电催化材料。本项目以碳量子点及碳基复合材料为催化剂，围绕碳基催化剂的结构调控、复合组装、及二氧化碳电催化转化机理等关键科学问题开展研究，主要研究了以下内容：1）采用分子剪切之策略，研究建立了煤基碳量子点的可控合成新方法，通过尺寸与结晶度调节、表面修饰和异原子掺杂等手段，揭示了碳量子点及其复合材料在能量存储与转化方面的应用潜质及构效关系；2）研究揭示了聚乙烯吡咯烷酮在碳基催化材料上的调节作用，并揭示其在电催化还原二氧化碳性能提升方面的作用。通过碳-氮共价键的方式，实现了ZIF衍生碳在石墨烯表面的均匀分散，最大程度地暴露ZIF衍生碳上面的多孔结构以及金属催化活性位点，使得对产物一氧化碳的法拉第效率由49.8%提升至98.6%；3）初步揭示了碳基催化剂形貌、尤其是孔道结构在提升电催化性能方面的作用。研究表明，掺杂Fe的ZIF衍生碳催化剂在增加大孔、介孔之后，对一氧化碳的选择性大幅提升，多孔碳催化剂的一氧化碳分电流密度明显大于少孔碳催化剂；4）研究了其它碳基复合材料在储能与电脱盐领域的应用潜质。利用氧化石墨烯表面含氧官能团诱导金属氧化物成核、生长，构筑了CoO/石墨烯复合材料，这种材料作为锂离子电池的阳极材料表现出非常优秀的性能，储能容量达到1080 mA h g−1 （在0.1 A g−1条件下）。由ZIF 纳米颗粒和聚丙烯腈混纺、炭化后形成的多孔碳纳米纤维作为电容去离子电极材料的脱盐量达到了19.92 mg g−1，比普通碳纳米纤维提高了一倍以上。由MoS2复合构筑的二维碳基电容去离子电极材料，脱盐量进一步提升至34.2 mg g-1。上述项目的成功实施，为以碳量子点为代表的新型碳基功能材料的设计与创制提供了新思路，丰富和拓展了碳量子点材料、二氧化碳电催化还原/储能/电脱盐等研究领域的科学内涵，有重要学术价值和应用潜力。