基于气体扩散电极的电化学原位红外光谱与微分质谱联用技术及其在CO2电催化还原中的应用

The electro-reduction of CO2 can provide industrial chemicals such as HCOOH, CO, methanol and C2H4. It is believed to be a potential method for the storage of excess power generated by clean technology. The gas diffusion electrode can not only avoid problem brought by the low solubility of CO2 in traditional solid-liquid phase but also help reduce the side reaction effect caused by the hydrogen evolution. The combined in-situ electrochemical infrared spectrometry and differential electrochemical mass spectrometry technology can provide abundant and in situ information about the absorbed intermedia and the products simultaneously. It is a vital method in reaction mechanism and kinetics study in molecular level in electrocatalysis. The research project aims to create a combined in-situ electrochemical infrared spectrometry and differential electrochemical mass spectrometry technology based on the temperature controlled gas diffusion electrode. Such technology will be applied on the detection on CO2 electroreduction on Au, Cu nanoparticles. The structure-activity relationship, temperature effect and pressure effect will be studied. Based on the research results, suggestion about the catalysts and reactor design will be given.

电催化CO2还原可在相对温和的条件下合成甲酸、CO、甲醇、乙烯等化工原料，被认为是储存各种清洁发电技术所提供富余电能的较具潜力方式之一。气体扩散电极可避免传统固液电化学体系中CO2溶解度低的问题并能较大程度减轻析氢副反应的影响。电化学原位红外光谱与微分电化学质谱联用技术能同时、原位地提供反应条件下电极表面吸附物种的类型、吸附构型和覆盖度等信息以及反应生成的可挥发性产物的组成与反应速度，是从分子水平上研究电催化反应机理与动力学的重要手段。本项目旨在建立基于气体扩散电极且可控变温的电化学原位红外光谱与微分质谱联用技术，并将其用于研究由各种Cu、Au纳米催化剂构成的气体扩散电极上的CO2还原反应，在宽广的温度范围考察CO2还原动力学，还原产物的分布与催化剂的组成、结构、电极电势、反应温度以及气体压强等参数之间的关系，为设计高效的CO2还原反应电催化剂以及反应装置提供具体的指导。

CO2电催化还原在储存富余电能，获得高附加值化学品以及实现人工碳循环方面具有很大的潜力，而气体扩散电极体系能较好地克服气体溶解度低、传质缓慢等问题，有望在未来实现该反应的工业化。电化学原位红外光谱与微分电化学质谱联用技术能同时、原位地提供反应条件下电极表面吸附物种的类型、吸附构型和覆盖度等信息以及反应生成的可挥发性产物的组成与反应速度，非常适合从分子水平上研究二氧化碳还原这种复杂电催化反应机理与动力学。本项目旨在建立基于气体扩散电极且可控变温的电化学原位红外光谱与微分质谱联用技术，并将其用于研究CO2还原反应动力学，考察还原产物的分布与催化剂的组成、结构、电极电势、反应温度以及气体压强等参数之间的关系，从而为设计高效的CO2还原反应电催化剂以及反应装置提供具体的指导。.通过三年的研究，我们建立了一套基于气体扩散电极利用红外与质谱联用技术研究CO2/CO还原的方法学与相应装置，克服了CO2等气体反应物溶解度低导致传质受限的问题，并大大降低了析氢副反应的影响。发展了全反射红外光谱技术从而克服了铜基材料稳定性不足而导致的谱学电化学结果重现性差不能系统分析的问题；利用该装置与技术系统研究了CO2/CO还原的阳离子效应，获得了阳离子影响反应吸附中间物以及产物分布的规律；针对Cu基材料普遍存在的不稳定等问题，利用红外与质谱联用技术获得了各产物以及吸附中间物种随反应时间的变化；针对吡啶作为有机添加剂促进二氧化碳还原的机理问题，利用联用技术详细研究引入的吡啶从表面吸附状态，界面pH值等角度对反应系统的影响，发现吡啶等添加剂并未真正促进二氧化碳还原。本项目通过系统分析不同反应条件、以及外加因素的调节下，电极表面吸附物种的红外与产物的质谱数据，深入探究电化学反应界面结构对反应机理调控的机制原理，同时也对如何准确评价以CO2还原为代表的存在催化剂不稳定、产物分布繁杂特点的体系给出了实用的建议。