Cu2O/离子液体功能化石墨复合材料高效稳定催化CO2电还原制乙烯

Electroreduction of carbon dioxide to ethylene at room temperature and atmospheric pressure is of great importance for the utilization of CO2 and green production of ethylene. Lack of efficient and stable catalysts is currently the main challenge. Cu2O is a cheap catalyst for the electroreduction of CO2 to ethylene. However, the further improvement of Cu2O catalytic performance has been restricted by the ambiguous catalytic and stabilization mechanism of Cu2O structure in the electrocatalytic reduction of CO2. Therefore, this project is proposed to clarify the catalytic mechanism of Cu2O in electroreduction of CO2 to ethylene by controlling the crystal plane, size and morphology of Cu2O and studying the structure-activity relationship between the structure of Cu2O and its catalytic performance in electroreduction of CO2 to ethylene, combined with the density functional theory calculation. Base on above, to overcome the structural stability problem of Cu2O, the Cu2O/ionic liquid functionalized graphite composite will be constructed and the effect of ionic liquid functionalized graphite on the structure and catalytic performance of Cu2O will be investigated in the electroreduction of CO2 to reveal the stability mechanism of Cu2O structure by the nest-like structure formed on the surface of the ionic liquid-modified graphite surface and the hydrophobic effect of the ionic liquid cationic side chain. At last, this project is expected to prepare a new type of Cu2O based catalyst with high efficiency and stability for electroreduction of CO2 to ethylene, which will provide theoretical foundation for the high value-added utilization of CO2 and the green production of ethylene.

常温常压下CO2电还原制乙烯对CO2资源化利用及乙烯的绿色生产意义重大，高效稳定催化剂的缺乏是当前面临的主要挑战。Cu2O是一种廉价的CO2电还原制乙烯催化剂，目前限制其性能提升的关键是Cu2O的结构在催化CO2电还原过程中的作用机理和稳定机制不明确。因此，本项目通过调控Cu2O的晶面、尺寸和形貌，研究Cu2O的结构与其催化CO2电还原制乙烯性能之间的构效关系，结合密度泛函理论计算阐明Cu2O的结构在催化CO2电还原制乙烯过程中的作用机理。在此基础上，针对Cu2O结构稳定性差的难题，构筑Cu2O/离子液体功能化石墨复合材料，研究离子液体功能化石墨对Cu2O结构及催化性能的影响，揭示离子液体修饰石墨表面形成的鸟巢状结构及离子液体阳离子侧链的疏水效应对Cu2O结构的稳定机制，制备一种能高效稳定催化CO2电还原制乙烯的Cu2O基催化剂，为CO2的高附加值利用及乙烯的绿色生产奠定理论基础。

随着人类对能源的大量消耗，大气中CO2的浓度持续增加，由此引发严重的温室效应并加剧全球环境问题。对此，我国提出了“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标。其中，CO2的转化利用是实现“双碳”目标的关键技术之一。基于化石原料的CO2转化过程需要消耗大量能量且会排放更多CO2。相比之下，利用可再生能源产生的电能将CO2 和H2O 还原为燃料和高附加值化合物，从而实现电能到化学能的转化和储存是一种绿色的二氧化碳利用和能源存储技术，可以从根本上实现碳减排，对解决我国的能源和环境问题具有重要战略意义。本项目主要研究了离子液体功能化石墨纳米片（ILGS）、氧化亚铜（Cu2O）以及两者的复合材料（Cu2O/ILGS）的合成及组成、结构调控方法，在不同该类型电解池（无膜单池、H型、流动型）中考察了Cu2O/ILGS催化CO2电还原制乙烯的反应性能，分析了材料结构与其催化性能之间的构效关系，并结合原位表征和密度泛函（DFT）计算揭示了相关催化机理。通过上述研究，本项目构筑了一种离子液体辅助电剥离制备功能化石墨片的新方法，发现电剥离过程中离子液体可以对石墨片表面进行原位掺杂，形成类“鸟巢”结构，利用该结构对铜离子的配位作用，构建了一种常温下液相原位合成Cu2O/ILGS复合材料的新方法；进一步利用离子液体的阴阳离子在铜前驱体溶液中的表面活性剂作用和对铜离子的配位作用，实现了对Cu2O尺寸、形貌和氧空位的协同调控，大幅提升了复合材料对CO2电还原制乙烯和乙醇的选择性。在流动池中，电催化二氧化碳还原制C2产物最优法拉第效率（FE）达到78%（其中FE乙烯 = 39%， FE乙醇 = 39%），在120 mA·cm-2电流密度下可以稳定100小时。本项目揭示了离子液体功能化碳材料对Cu2O形貌、结构及其催化CO2电还原性能的调控机制，对推动电化学还原CO2制乙烯技术的工业化应用具有重要理论和实践指导价值。