二维金属有机框架电催化二氧化碳还原和氧还原反应机理的理论研究

发布时间：2024-02-14 00:09

　　能源危机和全球气候变暖是当今世界面临的两大严峻问题。电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)和氧还原反应(ORR)是解决上述两个问题的有效方法。研究表明在金属材料中,Cu基材料是唯一一例可以驱动CO₂RR生成大量碳氢化合物的电催化剂。但是,Cu基催化剂存在产物选择性差和过电位过高的缺点,限制了其被广泛应用。因此,开发高效率、低成本和高选择性的电催化剂对于实现高效的CO₂RR势在必行。ORR是燃料电池的阴极反应,其缓慢的反应动力学速度严重影响了燃料电池的整体效率,Pt基高效电催化剂可以克服这一缺点。但是,Pt稀有金属的价格昂贵限制了其大规模商业化应用。因此,寻找替代Pt基催化剂的高效、廉价的催化剂来迫在眉睫。尽管许多材料被证明可以作为CO₂RR和ORR电催化剂。但是,在含水电化学反应环境中,精准地检测表面吸附中间体仍然存在极大的挑战。并且,由于反应中间体数量过多、反应路径过于复杂,难以确定其路径的有效性。密度泛函理论(Density Functional Theory,简称DFT)通过计算反应过程中每一步...

【文章页数】：97 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1–1ORR和CO2RR的概念联系[1]

第一章引言社会中，人类使用能量的主要来源为燃烧化石燃料，化石燃料的过度氧化碳（CO2）的浓度持续增加，使得能源危机和全球变暖等问题日切需要开发新型、可再生能源转换系统来确保可持续的碳循环，其中原反应（CO2RR）生成化学品和燃料被认为是缓解全球气候变暖和重要策略。目前，电化学....

图1–2CO2转化方法

）可通过其他可再生能源获得（如太阳能，风力发电等）等优点，引起人们的极大[16-19]。

图1–3电催化CO2还原过程及可能产物[18]

2图1–3电催化CO2还原过程及可能产物[18]O2还原机理究反应机理可以更深入理解CO2RR过程，为设计新型高效的C索和指导。实验上，在含水电化学环境中检测CO2RR中间体且由于中间体过多以及反应路径复杂使其难以确定路径的有效

图1–4还原CO2生成C1产物的反应路径

恰恰可以弥补这一短板，通过筛查每步基元反应过程来揭示催化反应机理。在种计算模型中[21-26]，由J.K.Nrskov课题组提出的线性自由能方法是目前研究最普遍的方法之一[22]。基于这种方法，CO2RR机理已被逐步明确。通常COO是生成一氧化碳（CO）的重要中间体....

本文编号：3897433