摘 要

化石燃料等不可再生能源的消耗造成了大量二氧化碳(CO₂)的排放，对生态环境有很大影响。而CO₂是地球上潜在的丰富的碳资源，因此寻找合理的方法利用这部分资源是迫切需要的，电化学方法是最有前景的方法之一。

电化学还原CO₂法操作条件简便，具有较高的转化率，但其催化材料种类繁多，不同的催化剂还原产物也不同。本文介绍了Cu基电催化剂在CO₂还原中的研究进展和应用。Cu基电催化剂能将CO₂还原为一碳化合物(C₁)和二碳化合物(C₂)，这对CO₂还原研究和利用有很大意义。本文综述了几种不同结构的Cu基电催化剂，对其还原机理和还原产物进行了总结，为CO₂选择性还原提供了理论基础，同时指出Cu基电极材料的一些潜在的问题并提出一些合理的解决办法。

关键词：CO₂还原；电催化；Cu基材料；选择性

Abstract

The continuous consumption of non-renewable energy such as fossil fuel has caused a lot of carbon dioxide (CO₂) emissions, which have a great impact on the ecological environment. However, CO₂ is a potential rich carbon resource on the earth. So it is urgent to find a reasonable way to use this resource. Electrochemical method is one of the most promising methods.

The CO₂ electroreduction has the advantages of convenient operation and high conversion rate. However, there are many kinds of catalytic materials and different reduction products. The research progress and application of Cu-based electrocatalysts in CO₂ reduction are introduced in this paper. Cu-based electrocatalysts can reduce CO₂ into one carbon compounds (C1) and two carbon compounds (C2), which is of great significance to the research and utilization of CO₂ reduction. In this paper, several kinds of Cu-based electrocatalysts with different structures are reviewed, and the reduction mechanism and products are summarized, which provide the basis for CO₂ selective reduction. At the same time, some potential problems of Cu-based electrocatalysts are pointed out and some reasonable solutions are put forward.

Key Words: CO₂ reduction; Electrocatalysis; Cu-based materials; selectivity

目 录

第1章 绪论 1

第2章 CO₂电化学还原及催化剂选择 2

2.1 CO₂电化学还原 2

2.2 催化剂选择 3

第3章 Cu基电催化剂在CO₂还原中的应用 4

3.1 单质铜催化剂在CO₂还原中的应用 5

3.1.1 块状铜催化剂在CO₂还原中的应用 5

3.1.2 单晶铜电催化剂在CO₂还原中的应用 5

3.1.3 铜基纳米电催化剂在CO₂还原中的应用 6

3.1.4小结 7

3.2 Cu基双金属催化剂在CO₂还原中的应用 7

3.2.1 Cu基贵金属催化剂在CO₂还原中的应用 7

3.2.2 Cu基非贵金属催化剂在CO₂还原中的应用 8

3.2.3小结 10

3.3 Cu氧化物和硫化物催化剂在CO₂还原中的应用 10

3.3.1 Cu氧化物在CO₂还原中的应用 10

3.3.2 Cu硫化物催化剂在CO₂还原中的应用 13

3.3.3 小结 13

3.4 Cu基MOF电催化剂在CO₂还原中的应用 13

3.4.1 Cu基MOFs材料 14

3.4.2 Cu基MOFs衍生材料 14

3.4.3 小结 14

第4章 总结和展望 16

参考文献 17

致 谢 21

第1章 绪论

自工业革命后人类对能源的使用量日益增加，这导致大气中CO₂的排放量也日益增加，由此引起一系列环境问题，例如温室效应等。释放的二氧化碳大约有57％进入大气层，其余的则进入海洋，造成海洋酸化^[1]。因此，急需寻找有效的方法来减少CO₂的排放量，缓解其造成的环境问题。CO₂同时也是廉价、丰富的C₁原料，将其转化为便于利用的燃料，一方面可以减少大气中CO₂的含量；另一方面也可提供能源，缓解能源危机，变废为宝。

CO₂是含碳化合物燃烧的最终产物，其标准摩尔生成焓为-394.38 kJ/mol，在热力学上是非常稳定的，反应活性低，要想断开CO₂中的C=O双键还是具有很大的挑战性。目前把CO₂转化为可用能源的常用方法有热化学法(如催化加氢)、光化学还原法和电化学还原法等。其中，电化学还原法操作条件相对简便，可以在常温常压下进行，反应过程更易于控制。在CO₂还原中表现出显著优势^[2]。图1.1展示了CO₂产生与利用的简要流程图。

图1.1 CO₂的产生与利用^[2]