锡基材料在自然界含量丰富、价格低廉, 在电催化还原CO₂制液体燃料反应中具有巨大潜力。但是较低的产物选择性和较差的稳定性限制了其应用。本工作制备的锡量子点电催化剂(Sn-QDs), 具有高效、高稳定性和高选择性的电催化还原CO₂产HCOOH活性。Sn-QDs的平均颗粒尺寸仅为2~3 nm, 结晶性良好。小的颗粒尺寸增大了电化学活性面积(ECSA), Sn-QDs的ECSA约为锡颗粒的4.4倍。ECSA增大以及CO₂还原反应动力学加速, 促进了CO₂电化学转化。在-1.0 V (vs RHE)下, Sn-QDs/CN催化剂的HCOOH法拉第效率(FE_HCOOH)达到95%, 并且在宽约0.5 V的电势范围内能够保持在83%以上。此外, Sn-QDs/CN可以在24 h内保持良好的电化学稳定性。

固态氧化物电解池(SOECs)因较高的能量转化效率在电化学还原CO₂, 实现“碳中和”社会方面备受关注。与非对称电池结构相比, 对称SOECs的空气极和燃料极是相同或相近的材料, 可以减少界面种类, 改善电极与电解质的热膨胀匹配性, 简化电池的制备工艺。本研究合成了钙钛矿氧化物La_xSr_2-xFe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ (L_xSFNM, x=0.1、0.2、0.3、0.4), 作为固体氧化物电解池的对称电极用于评估纯CO₂的电化学还原性能。掺入La³⁺可以有效提高反应催化活性, 其中L_0.3SFNM为电极的电解池表现出最高的电化学性能, 800 ℃下, 在空气中的极化电阻为0.07 Ω∙cm², 在50% CO-50% CO₂中的极化电阻为0.62 Ω∙cm²。单电池L_0.3SFNM@LSGM|LSGM|L_0.3SFNM@LSGM在800 ℃和1.5 V电压下的电解电流密度为1.17 A∙cm^-2, 在初始的50 h CO₂短期电解测试中表现出优异的稳定性, 是一种理想的对称电极材料。

近年来, 随着化石资源的消耗和CO₂的大量排放, 人类面临的能源危机和温室效应问题日益严峻, 而铁基催化剂催化CO₂加氢直接合成烯烃是实现CO₂减排及CO₂转化与利用的最佳途径之一。本研究采用浸渍法制备了氧化锆(ZrO₂)负载铁钴催化剂(Fe-Co/ZrO₂)和ZrO₂负载铁钴钾催化剂(Fe-Co-K/ZrO₂)用于催化CO₂加氢制低碳烯烃(C₂⁼-C₄⁼), 重点考察了K含量对催化反应活性的影响。活性测试结果表明, 在300 ℃和1.5 MPa下, 加入K使CO₂转化率由40.8%提高到44.8%, 低碳烯烃选择性从0.23%增至68.5%, 并提高了反应性能的稳定性。表征结果显示, 加入K使Fe物种的外层电子密度增大, 提高了Fe对CO₂的吸附强度, 促进了碳化铁的形成, 并有利于CO₂在Fe物种上吸附后发生直接解离, 提升了CO₂加氢制低碳烯烃性能。

二氧化碳(CO₂)还原制备合成气(CO和H₂混合气), 不仅可以实现碳循环降低温室效应, 而且能缓解能源危机。而实现CO₂资源化利用的关键在于催化剂设计。本研究采用金属离子共沉淀法制备了CuO及CuO/ZnO复合氧化物纳米材料, 通过调节催化剂组分, 探究其在不同电势下电化学CO₂还原制备合成气的性能。结果表明: 引入锌(Zn)物种可以减弱中间物CO₂^•-在催化剂上的吸附强度, 导致CO的法拉第效率(FE)降低, 氢气FE增加, 从而实现不同电势下合成气CO/H₂在1/1~1/4范围内的可控调节。尤其是, 当前驱液中铜和锌配比为1 : 2时, 在-0.9 V (vs. RHE)的电势下, CO和H₂总FE高达84%。

等离子体与催化材料协同作用CO₂甲烷化反应为CO₂再利用提供了可能, 但催化材料的制备方法对其结构和性能有重要影响。本研究以等体积浸渍法制备的Ru/γ-Al₂O₃为催化材料前驱体, 分别采取H₂大气压冷等离子体还原和H₂热还原方法制备Ru/γ-Al₂O₃-P和Ru/γ-Al₂O₃-T催化材料。考察两种方法制备Ru/γ-Al₂O₃催化材料与大气压冷等离子体共同作用下CO₂甲烷化反应中的催化活性, 并采用不同测试方法研究制备方法对Ru/γ-Al₂O₃结构的影响, 分析影响Ru/γ-Al₂O₃催化活性的结构因素, 进而探究了Ru/γ-Al₂O₃-P和Ru/γ-Al₂O₃-T催化材料的制备机理。研究结果表明: 载体γ-Al₂O₃与大气压等离子体共同作用下CO₂转化率为24.8%, 主要产物是CO; Ru/γ-Al₂O₃与大气压等离子体共同作用下的主要产物是甲烷。Ru/γ-Al₂O₃-T和Ru/γ-Al₂O₃-P催化材料的CO₂转化率分别为66.9%和77.3%。Ru/γ-Al₂O₃-P较高的催化活性源于其表面Ru还原程度高、Ru/Al原子比高以及Ru单质在载体γ-Al₂O₃上分散性较好且粒径较小, 说明采用大气压H₂冷等离子体技术可制备高活性的负载型金属催化材料。