氮掺杂有序介孔碳/金属纳米材料的制备及其电羧化利用CO2的研究

CO2 is one of the most important greenhouse gases. Meanwhile, it is also a kind of non-expensive and abundant C1 feedstock. Conversion of CO2 into high value-added organic carboxylic acid by renewable energy sources, could achieve both economic and environmental benefits. In this project, new N-doped ordered mesoporous carbons/Metal nanocomposite will be designed and prepared towards electrocarboxylation of organic halides and aromatic ketones. Based on the characterization of morphology, structure, composition of these materials, and investigation of electrocatalytic behavior, activity, structure-activity relationship will be revealed. The efficiency of CO2 utilization and the selectivity of target carboxylic acids will be improved, by regulation the materials and optimization the reaction conditions. Moreover, the mechanism will be explored through monitoring the surface states and reaction intermediates during the electrolysis, combined with DFT calculations. All of the these studied would provide a theoretical basis on the efficient conversion of CO2 and designing of new highly efficient and stable electrocatalytic carbon materials.

CO2是最主要的温室气体之一，同时又是廉价丰富的C1资源。若能利用可再生能源将CO2固定利用转化为具有高附加值的有机羧酸类物质，则可实现环境效益和经济效益的双赢。本项目拟针对卤代物、芳香酮电羧化利用CO2反应，设计制备新型N掺杂有序介孔碳/金属纳米电催化材料。通过对材料形貌、结构、组成的表征以及电催化行为、性能的考察，揭示材料与目标电催化反应的构效关系。结合材料的调控和反应条件的优化，提高CO2的利用效率和目标羧酸化合物的选择性。同时借助反应过程中材料表面状态及反应中间体的监测和DFT计算等手段，阐明电催化还原的机理，从而为CO2的高效转化利用、新型高效稳定电催化碳材料的设计制备提供理论基础。

CO2是最主要的温室气体之一，同时又是廉价丰富的C1资源。若能利用可再生能源将CO2固定利用转化为具有高附加值的有机羧酸类物质，则可实现环境效益和经济效益的双赢。本项目针对卤代物、芳香酮、醇、环氧化合物、有机胺的电羧化利用CO2反应，设计制备多种新型的N掺杂有序介孔碳/金属纳米电催化材料；通过改变制备方法、制备条件等，有效调控了复合材料的组分、结构、形貌。该类材料在有机物的电羧化反应中表现出来优异的电催化性能和稳定性，合成了系列有机羧酸、有机碳酸酯、有机氨基酸酯类化合物。研究表明：具有高比表面积、良好的化学稳定性和优良的导电性的有序介孔碳不仅能有效负载分散金属纳米粒子，而且能阻止粒子的团聚，提高复合材料的电催化性能和稳定性；氮的掺杂能有效调节碳材料的孔道结构、比表面积、孔体积以及对CO2的吸附能力，进而影响材料在电羧化中的催化性能；具有丰富空位缺陷和可变价态的尖晶石类金属氧化物能有效提高CO2的吸附量和电子的传递速率，进而提高材料的电催化性能；原子级分散的Cu-N-C材料具有含量丰富且高度分散的铜，使得其拥有了丰富的活性位点，从而具有良好的电催化性能。研究过程中还优化了反应条件，为CO2的高效转化利用提供了技术支撑；考察了各类材料与反应的构效关系，为新型高效稳定电催化碳材料的设计制备提供理论基础。