二氧化碳在有机溶剂/离子液体/水复合电解液中的电催化还原与资源化

将二氧化碳转化为大宗有机化工原料，减少化石燃料使用量，是实现二氧化碳减排的重要技术途径之一。本项目拟在有机溶剂/离子液体/水三元复合电解液中，以二氧化碳和水为原料，用电化学催化还原的方法将二氧化碳转化为甲酸、甲烷、甲醇等化学品，实现二氧化碳资源化利用。研究工作拟解决两个关键问题：提高二氧化碳电还原反应的电流密度；提高阴极材料的电催化活性和长期稳定性。主要研究内容包括：设计并合成功能化离子液体，制备有机溶剂/离子液体/水复合电解液，提高二氧化碳在电解液中的溶解度，由此提高二氧化碳电还原反应的电流密度；利用电化学测试技术和波谱分析方法，查找导致阴极材料电催化活性降低的原因，探索提高阴极材料电催化活性和长期稳定性的方法；研究离子液体在二氧化碳电催化还原过程中所起的主要作用，揭示二氧化碳电还原反应机理，搞清电极过程动力学特征。研究工作对于发展温室气体减排新理论、新方法具有重要的科学意义。

全球气候变暖是全世界共同关注的焦点问题。将二氧化碳转化为有用化学品，减少化石燃料使用量，是实现二氧化碳减排的重要技术途径。本项目在国家自然科学基金的支持下，开展了二氧化碳在离子液体/有机溶剂/水电解液中的电还原研究，尝试用电化学方法，将二氧化碳转化为甲酸、甲醇、甲烷、乙烯、CO和草酸等化合物，以实现二氧化碳资源化利用。具体开展了以下研究工作：①合成了阳离子为1-丁基-3-甲基咪唑、N-甲基吡啶、四丁基高氯酸铵，阴离子为CF3SO3-、CF3COO -、(CF3SO2)2N -、HSO4- 的一系列离子液体，研究了离子液体的电导率、粘度、熔点、化学性质和溶解二氧化碳性能；②在碳酸丙烯酯、N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙睛、二甲亚砜等有机溶剂中，加入了上述离子液体，配制了有机电解液，研究了溶液的电化学窗口、溶解二氧化碳性能、离子导电率等物理化学性质；③在离子液体/有机溶剂/水电解液中，研究了二氧化碳在Pb、In、Sn、Cu、Au、Ag、Pt电极上的电还原反应，分析了电流效率随时间变化规律，总结了二氧化碳电还原反应动力学特征；④分析了阴极材料电催化性能及影响因素，研究了副反应产物的生成机理及其对阴极催化性能的影响，通过优化反应条件，提高了阴极的电催化活性和长期稳定性。.研究工作取得了以下成果：.①阐明了有机电解液的离子导电机理，揭示了离子液体在二氧化碳电还原过程中所起的关键作用，提出了二氧化碳在有机溶剂/离子液体/水电解液中的电还原机理；.②提高了有机电解液的离子导电性能、降低了有机电解液的粘度，提升了二氧化碳在有机溶剂/离子液体/水电解液中的溶解度，由此提高二氧化碳电还原反应电流密度； .③揭示了副反应产物的生成机理，分析了其对阴极材料电催化活性的影响机制，解决了电极中毒问题；.④发表学术论文11篇，其中SCI检索4篇，EI检索2篇，核心5篇，另有3篇在投稿中；获得发明专利4项，实用新型专利1项，另有2项在审理中；目前有在读博士研究生2名，硕士生5名，毕业2名。完成了项目预定目标。.研究工作中的重要发现：.在有机电解液中将二氧化碳电还原为甲酸、甲醇、甲烷、乙烯和草酸的效率很低，产物分离困难，短期内难以实现工业化应用。但是，将二氧化碳电还原为CO，虽然价值较低，但电流效率可以达到90%以上，且电极不中毒，因而极有可能发展成为能源环境领域非常重要的一项新兴技术。