CO2陰極還原和甲醇陽極氧化同步進行實現甲酸的電化學合成

2020-12-01 科學網

CO2陰極還原和甲醇陽極氧化同步進行實現甲酸的電化學合成

作者：

小柯機器人

發布時間：2020/11/10 21:47:41

中科院上海矽酸鹽所施劍林團隊的最新研究提出了通過電催化，同時進行二氧化碳還原和甲醇氧化以製取甲酸的方法。 相關論文於2020年11月8日發表在《德國應用化學》雜誌上。

在本文中，該研究組報告了一種同時進行陰極CO2還原反應和陽極部分甲醇氧化反應（MOR）的高效合成甲酸的通用策略，該體系的陰極催化劑使用了生長在碳布上的介孔二氧化錫（mSnO2/CC），陽極催化劑使用了生長在銅泡沫上的氧化銅納米片（CuONS/CF）。陽極的CuONS/CF使電極電勢降到了非常低的程度，在100 mA/cm2的電流密度下相對於可逆氫電極（RHE）只有1.47 V，和陽極析氧反應（OER）相比體現出顯著增加的電化學活性。

與此同時，陰極的mSnO2/CC在相對於可逆氫電極0.7 V的電勢下，在催化CO2轉化為甲酸方面表現出較高的法拉第效率（81%）。另外，使用這兩種電極組成的電解池在生產甲酸時只需在兩邊加上相當低的電壓，在10 mA/cm2的電流密度下僅需0.93 V。

據悉，通過電化學方法將二氧化碳轉化為含能化合物或高附加值化學品，對緩解溫室效應和高效利用二氧化碳排放意義重大。然而，這一方法通常受制於動力學上遲緩的陽極析氧反應（OER）及其產生的低附加值的副產物O2。

附：英文原文

Title: Formic Acid Electro‐synthesis by Concurrent Cathodic CO2 Reduction and Anodic CH3OH Oxidation

Author: Xinfa Wei, Yan Li, Lisong Chen, Jianlin Shi

Issue&Volume: 2020/11/08

Abstract: Electrochemical conversion of carbon dioxide into energy carrying compounds or value‐added chemicals is of great significance for diminishing the greenhouse effect and the efficient utilization of carbon dioxide emissions, which, however, suffers from the kinetic‐sluggish anodic oxygen evolution reaction (OER) and its less value‐added production of O  2  . Herein, we report a general strategy for efficient formic acid synthesis by concurrent cathodic    CO  2  reduction and anodic partial methanol oxidation reaction (MOR), using mesoporous SnO  2  grown on carbon cloth (mSnO  2  /CC) and CuO nanosheets grown on copper foam (CuONS/CF) as cathodic and anodic catalysts, respectively. Anodic CuONS/CF enables an extremely lowered potential of 1.47 V versus reversible hydrogen electrode (RHE) to obtain 100 mA cm  ‐2  , featuring a significantly enhanced electro‐activity in comparison to OER. Meanwhile, the cathodic mSnO  2  /CC shows a rather high Faraday efficiency of 81% at 0.7 V vs RHE for formic acid production from CO  2  . Moreover, the established electrolyzer equipped with CuONS/CF at the anode and mSnO  2  /CC at the cathode requires a considerably low cell voltage of 0.93 V at 10 mA cm  2  for formic acid production at both sides.

DOI: 10.1002/anie.202012066

Source: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202012066

相關焦點

  • 微生物陽極氧化廢水助力光電催化還原CO2自發產生合成氣
    電活性微生物陽極被廣泛應用於環境修復領域，其通過電活性細菌氧化汙水中的廢棄有機物，將化學能轉化為電能從而回收能量，並實現汙水處理。我們的前期工作（Energy & Environmental Science.2019, 12: 3412-3414）表明，微生物陽極將回收的能量和電子用於助力光電催化反應，可實現自發析氫反應（HER）。
  • 原位製備納米片陣列雙功能電催化劑用於共電解制氫與甲酸
    在甲醇-水共電解體系中，Ni(OH)2納米片陣列雙功能電催化劑極大地降低了產H2能耗。3)增值且環境友好。陽極甲醇氧化生成高附加值的甲酸替代了溫室氣體CO2，增值化學品甲酸與H2高效共生。(a)以Ni(OH)2/NF作為陽極和陰極，組裝的兩電極體系同時實現析氫與甲醇氧化的電化學性能曲線以及與傳統全水解的性能對比。(b) 兩電極Ni(OH)2/NF在甲醇-水溶液電解體系的穩定性。(c)不同電量下，陽極產物甲酸鹽的法拉第效率。(d)在一定電流密度下，陰極產物氫氣的法拉第效率隨時間的變化。
  • 快速原位合成In-MOF電極用於電化學CO2還原生成甲酸
    本文來自微信公眾號：X-MOLNews金屬有機框架（MOF）化合物具有無限的金屬位點和孔結構，在催化領域有非常好的應用。MOF的孔道非常有利於CO2分子的吸附，在電化學還原CO2領域有巨大潛力。但是MOF作為電極材料也存在諸多問題：第一，MOF的導電性較差，MOF和基底之間有較大界面電阻。
  • 金松Joule:與獨立半反應配對的氧化還原庫用於模塊化電化學合成
    利用可再生電力進行增值化學品的電化學合成具有比傳統化學製造更具可持續性的優勢。然而，在傳統的電化學合成過程中，成對的陽極和陰極反應之間的緊密耦合限制了產物及其效率。近日，威斯康星大學麥迪遜分校金松教授報導了通過將氧化和還原半反應與非均相氧化還原庫（RR）解耦和配對，成功實現了不同化學品的模塊化電化學合成（ModES）。RR由攜帶電荷的氧化還原活性物質組成，可以可逆地存儲和釋放電子和離子（例如，Na+，H+以及 OH-），從而使完整的電化學反應能夠使用研究人員所選擇的獨立半反應。
  • 構建納米陣列支撐納米片複合電極材料用於催化新型陽極增值反應
    優化後的電極材料在尿素的分解以及HMF和生物甘油（甲醇/丙三醇）的選擇性增值氧化中展現出優異的催化活性與穩定性。圖3d表明目標產物2，5-呋喃二羧酸（FDCA）濃度隨反應進行不斷增大，其他副產物如5-羥甲基-2-呋喃甲酸（HMFCA）、5-甲醯基-2-呋喃甲酸（FFCA）濃度較低且隨反應進行被進一步氧化為FDCA。在隨後進行的穩定性測試中，生成FDCA的法拉第效率維持在96%以上。為了進一步探究以HMF氧化反應替換水氧化反應的可行性，我們以MoNi4合金為陰極析氫電催化劑組裝了雙電極體系。
  • 上海交大:綠色,安全,通過電化學方法生產氧化石墨烯的最新進展
    （例如，石墨棒，粒料和薄片）用作工作電極（陽極）並且Pt用作對電極（陰極）。使用 Pt是因為它是水分解成氫氣的互補還原反應的良好催化劑，而它的成本很高，因此對於它的放大是不實用的。電化學過程。在一些報導中，石墨材料（例如，石墨棒和鉛筆）用作陽極和陰極用於電化學剝離，這可以大大降低生產成本。然而，在這種電化學系統中，除非將電池分成單獨的氧化還原部分，否則很難從陰極和陽極反應中識別產物。
  • 直接甲醇燃料電池空氣陰極的研究
    、行動電話、攝像機和電動汽車理想的動力源,被認為是最有可能實現商業化應用的電池, 從而受到了極大關注。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/227513.htm根據DMFC工作原理,水在空氣陰極生成, 其反應式為:如果空氣陰極一側生成的水和陽極甲醇溶液通過 Nafion膜擴散到陰極上的水不足以彌補陰極中大量空氣帶出去的水分時,陰極水平衡就會被破壞, 造成空氣電極一側質子交換膜失水變幹
  • 鋰離子電池陰陽離子氧化還原的聚陰離子草酸鹽陰極
    鋰離子電池最為常見的陰極材料是層狀LiCoO2和LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2（NMC111），其反應主要基於鈷的氧化還原過程。然而，由於鈷具有毒性，資源有限，成本較高，人們希望探索新型陰極材料。鐵基聚陰離子化合物使用儲量豐富的鐵作為氧化還原中心能夠有效緩解資源限制，並且降低成本，實現大規模應用。
  • 電鍍與陽極氧化的區別
    陽極氧化利用化學或電化學處理，使金屬表面生成一種含有該金屬成份的皮膜層。待處理的材料作為陽極，在特定的電解液中通過外加電流使其表面形成膜層的一種材料保護。如鋁合金氧化，在是在鋁合金表面形成一層氧化鋁的薄膜，氧化鋁化學性穩定，不會再氧化，不受酸腐蝕，還可以染成各種顏色。
  • 武漢大學雷愛文/陳宜鴻《自然》子刊:無需氧化劑,電化學助力氧化...
    在有機合成化學領域得到日益廣泛的關注，這類反應過程一般在外加電壓的驅動下發生反應物的電子得失，其本質是氧化還原反應。但這類氧化還原過程無需使用化學氧化劑、還原劑，直接提供反應所需的電子或攫取電子，相比之下更符合綠色化學的要求。此外，人們可根據實際需要調節外加電壓，將反應物氧化或還原為特定的氧化、還原中間體，避免過度反應。 作者認為，在電能的驅動下，反應物可在電解池的陽極失去電子，此時無需外加氧化劑便可實現其氧化過程，於是設想通過電化學合成的方式實現CO參與的氧化羰基化反應。
  • 電化學沉積實現單原子催化劑的普適性製備
    研究人員首先將Co(OH)2襯底負載在工作電極上，並直接將待沉積的Ir前驅體加入鹼性電解液中，然後分別利用電化學陰極沉積和陽極沉積獲得了兩種Ir單原子催化劑Ir1/Co(OH)2。通過X射線吸收精細結構譜發現，陰極和陽極沉積獲得的兩種單原子具有不同的價態和配位環境（圖1）。
  • 犧牲陽極陰極保護的構成
    在犧牲陽極法的陰極保護系統中，犧牲陽極金屬與被保護金屬在電流序列中位置較遠。兩者之間的電位差越大，決定了犧牲陽極金屬可以提供更多的保護電流，被保護金屬可以達到一個相對負的保護電位。 犧牲陽極和被保護的金屬通過電纜形成一個完整的電流迴路。在該電路中，犧牲陽極向被保護金屬輸出電流，可以測量該電路中犧牲陽極的有效輸出電流。
  • ACS Sensors:生物事件從光電陽極分離:鐵氰化鉀介導氧化還原循環集成光電陽極與陰極體系
    目前，以n型半導體為基礎發展的光電陽極分析技術靈敏度更高，但複雜的生物樣品中含有多種還原性物質，嚴重幹擾光電流信號。而基於p型半導體的光電陰極分析技術抗幹擾能力強，但由於p型半導體本身固有的低電流響應，很難滿足痕量分析的要求。近期，山東理工大學李月雲教授和濟南大學魏琴教授團隊在PEC傳感新模型的建立上取得重要進展。
  • 磷鉬酸對直接甲醇燃料電池陰極氧還原的促進作用
    )為直接甲醇燃料電池(DMFC)陰極添加劑，製備了Pt-PMo12/C複合催化劑。　　雜多酸是由含氧雜多陰離子和與之平衡的氫離子所構成的具有籠形結構的化合物，具備極強的導質子能力和氧化還原雙重功能，有利於改善氧化還原反應的電子和質子傳輸環境，某些雜多酸對氧電化學還原的催化作用已有研究，但這種催化作用在DMFC陰極上的應用尚未見報導。PMo12的酸性較強，是一種Keggin結構的雜多酸，其陰離子簇由多個易傳遞電子的過渡金屬離子組成，有利於電極的電子和質子傳輸。
  • 過程工程所開發出直接甲醇燃料電池選擇性電催化劑
    工作時，甲醇在陽極上被催化氧化為CO2和H2O，同時產生6個電子和6個質子，其中質子經質子交換膜由陽極到達陰極，在催化劑作用下使陰極室的氧還原，生成工作時，甲醇在陽極上被催化氧化為CO2和H2O，同時產生6個電子和6個質子，其中質子經質子交換膜由陽極到達陰極，在催化劑作用下使陰極室的氧還原，生成H2O。電子經外電路由陽極到達陰極，並通過外電路做功並構成電迴路。DMFC結構簡單、方便靈活，工作時間只取決於燃料攜帶量而不受限於電池的額定容量，近年來倍受產業界青睞。
  • Scripps研究所合作報導電化學的酮和烯烴的還原偶聯反應
    此外，它還廣泛存在於天然產物、藥物和多種材料中。酮與強親核劑（如RMgX或RLi）的加成反應是製備叔醇的教科書式方法。然而由于格氏試劑的化學選擇性較低，酮底物上的其他官能團通常需要使用保護基，這間接導致合成效率降低（Figure 1B）。
  • 甲醇合成中CO2 作用的研究進展
    最後在此基礎上對未來的研究方向進行了展望，認為相關基礎研究應努力縮小和實際工業反應在條件上的差別，並把針對催化劑、反應過程的原位表徵技術和理論計算相結合，以期為提高合成氣制甲醇的效率提供借鑑。1 CO2 對催化劑活性中心的影響甲醇合成的銅基催化劑在使用之前需要在氫氣或原料氣的氣氛下進行還原，還原溫度一般和正式反應溫度相同或接近。經過還原後，催化劑的組分可能存在Cu0、Cu+、ZnO、Al2O3等形式。
  • 微型直接甲醇燃料電池的研究進展
    Zhang等設計並製作了一種具有「microblock」結構單元的新型流場，主要作用是迫使甲醇溶液在陽極進行波浪式流動，提高傳質效率和燃料利用率。Jung等利用實驗與數值仿真相結合的方式分析了點型、平行和單蛇形3種流場結構對電池陰極性能的影響，結果顯示單蛇形流場表現出最佳的輸出性能和穩定性，主要原因是它可以保證氧氣均勻傳質以及生成水快速高效的排出。
  • 中國科大電化學沉積法製備鉬鈷等34種單原子催化劑
    單原子催化劑因為具有最大化的原子利用率和獨特的電子結構，在水解、氧還原、二氧化碳加氫、甲烷轉化等化學反應中受到了廣泛關注。但目前合成單原子催化劑的方法對單原子和襯底都有比較高的要求，還不能實現在任何襯底上製備任何的金屬單原子催化劑，因此，發展對襯底和金屬無選擇性的普適性單原子合成方法具有重要意義。
  • 陰極電泳漆與陽極電泳漆的區別
    簡單的說，電泳時工件掛正極的為陽極電泳漆，工件掛負極的為陰極電泳漆。