用于电还原CO2制HCOOH的多孔金属电极的制备与性能研究

The project aims to investigate the preparation of 3D porous metal electrode using a hydrogen bubble template and its performance for the electrochemical reduction of CO2 to formic acid. The contents are as follows:.To prepare Pb or Sn electrode with 3D porous structures, the electrodeposition with a template of hydrogen bubbles from the Cu plate cathode at high current density is used. Different parameters of the additive, the electrolyte and electrodeposition process could be used to tailor the pore size, surface area and foam thickness. Through SEM and XRD characterization, the effects of parameters on the morphology features of 3D porous metal are studied..The electrocatalytic activity of the porous electrodes for the CO2 reduction are investigated by cyclic voltammetry analysis. Therefore it could be obtained that the relation of the the morphology features and the activity of the porous metal electrode..The steady-state polarization curve was measured by constant current method to study the reaction kinetics of electrochemical reduction of CO2 on the porous metal eletrodes; The effects of temperature, potential and eletrolyte on the yield of reduction product are evaluated. The electroreduction conditions are optimized to gain the high yield of formic acid..3D porous metal material is applied to the electrochemical reduction of CO2 for the first time. Because high specific surface area can provide more active center,and 3D porous structure can strengthen the CO2 mass transfer, it should be a new idea for improving the electrode performance. Therefore the project here is of research significance and promising perspect.

本项目拟开展氢气泡模板法电沉积制备多孔金属电极及其电化学还原CO2性能的研究。包括在高电流密度下以Cu片等阴极析出的氢气泡为模板电沉积制备金属Pb、Sn等的三维多孔薄膜, 并通过选择适当的添加剂，电解液组成、电沉积参数来调控孔径大小、比表面积及孔壁结构，结合 SEM和XRD表征，研究制备条件对三维多孔金属薄膜形貌和结构的影响；采用循环伏安法研究多孔金属电极的催化活性，得出电极表面形貌结构与其电催化活性的关系等；以恒电流法测定电极稳态极化曲线，进行动力学研究，探讨多孔金属电极上电还原CO2的反应机理；研究不同反应温度、电解液组成、还原电位对CO2电还原效果的影响，得出适宜的反应条件。本研究将三维多孔金属薄膜应用于电化学还原CO2过程，高比表面积可提供更多的反应活性中心，贯通的三维多孔结构有利于CO2传质，提出了提高电极催化活性的新思路，具有重要的理论意义和应用前景。

电化学还原可使CO2在常温常压下进行反应，条件温和、操作简便，可使用水为质子源，若选择来自风能、水力及太阳能的电能，则避免了产生新的CO2。因此在化石燃料大量消耗，环境问题日益加剧的今天，由CO2电化学还原获取燃料及化学品具有十分重要的意义和应用前景。.本项目从提高电极活性表面积出发，采用简便、绿色的氢气泡模板法电沉积制备具有较大的比表面积和贯通结构的三维多孔金属薄膜多孔铅、多孔锡、多孔银电极，并将其应用于CO2电还原研究中。通过SEM、EDS、XRD和循环伏安法等对多孔金属电极进行了形貌、结构及电化学活性表面积表征，确定了适宜的制备条件，考察了不同制备条件对电极活性的影响；对反应条件（还原电位、电解液组成、反应温度）对电极CO2电还原性能影响进行了考察；以Tafel法分析了各电极上的反应机理；对电极稳定性、重复使用性及电极中毒失活原因也进行探究。 此外，在实验研究基础上，以DFT法模拟计算，探讨铅、锡电极上甲酸生成的反应路径，明确了两种金属电极上甲酸选择性不同的原因；近期还对电极表面氧物种对CO2电还原反应的促进作用进行了DFT研究，从热力学上揭示了表面氧物种参与反应的机理的作用。本项目将三维多孔金属薄膜应用于电化学还原CO2过程，高比表面积可提供更多的反应活性中心，贯通的三维多孔结构有利于CO2传质，提出了提高电极催化活性的新思路，具有重要的理论意义和应用前景。. 综上，项目按研究计划如期完成，发表SCI收录论文3篇（1篇已录用），中文核心期刊论文2篇（1篇已录用），培养硕士研究生3名、在读博士研究生1名。并结合课题的国内外发展现状，开展了对于电化学还原机理的DFT研究，对该项目进一步深层次开展，奠定了很好的前期基础。