摘 要

近年来，环境问题日渐严重，资源也日益短缺，二氧化碳(CO₂)作为温室气体中的主要成分，将其转化为小分子有机物，在节能减排的同时，也能有效解决资源问题。光电催化还原CO₂因其原料廉价易得，方法环保越来越受到大家的关注。

本文将使用水热沉积法和L-抗坏血酸还原法制得Fe₂O₃-Cu₂O复合材料作为催化还原CO₂的催化剂，探究不同摩尔比的复合材料对CO₂还原产物的影响。采用恒电位电化学技术，即i-t曲线，在不同的外加电压下进行光电催化还原。因催化剂选择性较高，产物主要是甲酸与甲醛，用纳氏试剂法检测液相产物甲酸与甲醛，使用紫外分光光度计制定甲酸与甲醛的标准曲线，结合曲线计算出产物含量。检测得甲酸产量高于甲醛，且Cu₂O-Fe₂O₃的摩尔比为0.5时产物中甲醛的法拉第效率最高，达到67.4%。

关键词：CO₂；还原；光电催化；催化剂

Abstract

In recent years, environmental problems have become increasingly serious, and resources have become scarce. As a major component of greenhouse gases, carbon dioxide is converted into small-molecule organic compounds, which can effectively solve resource problems while reducing energy consumptions and emissions.Because its raw materials are cheap and easy to obtain, and methods are environmentally friendly,photoelectrocatalytic reduction of CO₂ has attracted more and more attention.

In this paper, Fe₂O₃-Cu₂O composites for catalyzing the reduction of CO₂ were prepared using hydrothermal deposition and L-ascorbic acid reduction. The effects of composite molar ratios on the reduction products were explored.The potentiostatic method, i-t curves, was used for the photoelectrocatalytic reduction of CO₂ at different applied voltages. Due to the high selectivity of the catalyst, the products are mainly formic acid and formaldehyde. Formic acid and formaldehyde are detected by the Nash’s method. The standard curves of formic acid and formaldehyde are determined using a UV spectrophotometer, and the product content is calculated from the standard curves. The formic acid content was higher than formaldehyde content. When the mole ratio of Cu₂O-Fe₂O₃ was 0.5, the Faradaic efficiency of formaldehyde in the product was the highest and achieve 67.4%.

Key Words：carbon dioxide；reduction；photoelectrocatalysis；catalyst

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 CO₂的结构与性质 1

1.3 CO₂活化与转化利用 1

1.3.1 CO₂催化氢化反应 2

1.3.2 生物转化 4

1.3.3 光、电催化还原 4

1.4 CO₂光电还原催化剂材料 6

1.5 研究意义 8

第2章 实验部分 9

2.1 实验试剂与仪器 9

2.1.1 实验试剂 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2 实验方法 10

2.2.1 样品的制备方法 10

2.2.2 电化学测试方法 10

2.2.3 CO₂还原产物检测方法 11

2.2.4 CO₂光电催化还原实验方法 12

2.2.5 样品的表征 12

2.2.6 还原产物法拉第效率的计算 12

2.3 实验内容 13

2.3.1 制备复合材料催化剂 13

2.3.2 制备工作电极 13

2.3.3 CO₂光电催化还原 14

2.3.4 产物的检测 14

第3章 结果与讨论 15

3.1 复合材料的晶型结构表征 15

3.2 线性扫描伏安法（LSV）曲线 16

3.3 还原产物分析 17

3.4 还原产物的法拉第效应 17

3.4 本章小结 19

第4章 总结与展望 20

4.1 总结 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 引言

二十世纪以来，人口逐渐增长，社会快速发展，人类的生活水平得到了很大提升，同时对能源的需求也在增加，全球能量的消耗相对于过去的几十年已经达到了新高度，寻找新的可再生能源代替，可持续发展成为人类继续生存的不二之选。同时，化石燃料使用所产生的大量CO₂所造成的温室效应已经引起了全球气候变暖，使得冰川融化，海平面上升等，对环境的影响不可小觑。化石资源的减少和CO₂排放量的增加促进了利用CO₂作为生产燃料和化学品的碳源的研究活动。CO₂是无毒、廉价、可循环利用的碳资源，我们可以采用一定的技术手段将CO₂回收利用转化为我们需要的低碳燃料和小分子有机物，在解决能源问题的同时也大大改善了环境问题。CO₂作为一种潜在的可再生能源，具有广阔的应用前景及重要研究价值，已经引起了各界科研工作者的广泛关注。

1.2 CO₂的结构与性质

CO₂是一种很常见的化合物，为直线型对称分子，其结构决定了它是弱电子给体及强电子受体^[1]。一般来说，应该克服CO₂转化的高激活能垒，CO₂的热力学稳定性和动力学惰性使得CO₂的转化成为化学科学领域极具挑战性的研究主题。首先，CO₂的第一电离能明显大于电子构型相同的CS₂、N₂O等物质，因此相比其他物质来说CO₂给电子较困难；其次，CO₂分子具有较低能级的空轨道和较高的电子亲和能，相比其他物质接受电子更容易。由以上分析可知，采取一定的方法输入电子，或者夺取其他物质的电子，是将CO₂活化的有效思路。CO₂作为C的最高氧化阶段，性质又不活泼，因此它的状态非常稳定，为使其能够发生化学反应，通常需采用高温、高压以及催化剂。

1.3 CO₂活化与转化利用

CO₂资源化回收研究方法大致分为物理、化学和生物法^[2]:

1. 物理法：利用压力、温度、比重等因素对其的影响来固定CO₂。具体方法包括低温分离法和物理吸附法等；
2. 化学法：使CO₂与其他物质反应，生成可以加以利用的化工产品；
3. 生物法：主要是植物的光合作用和微生物的自养作用,使之转化为为植物生长所需的营养物质。

化学法是实现CO₂回收利用规模化的主要方式，实现CO₂化学转化利用，首先要对其进行活化。根据其活化方式的不同，可分为由金属参与的配位活化、Lewis酸碱的协同活化、光电活化、生物酶催化活化和等离子体活化等^[1]。根据其活化方式的不同，CO₂的还原途径主要有催化氢化反应、生物转化和光、电还原等，其还原产物主要有甲醇、乙醇、甲酸、一氧化碳等。

1.3.1 CO₂催化氢化反应

从催化氢化CO₂的不同生成物来划分,将催化氢化CO₂实验大体分成CO₂加氢甲酸化、CO₂加氢甲烷化、CO₂加氢甲醇化等技术^[3]。

（1）CO₂加氢甲酸化技术

目前关于CO₂加氢制甲酸的报道较少， CO₂氢化制甲酸是原子经济反应，具有深远的研究意义^[4]。现如今，CO₂加氢甲酸化大部分使用过渡金属配合物如Ru、Rh等贵金属作为催化剂进行反应，使CO₂与H₂直接发生反应生成甲酸。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：