【《关于卤素掺杂碳材料的国内外研究进展文献综述》2700字】

第第页关于卤素掺杂碳材料的国内外研究进展文献综述1.1氟掺杂碳材料Sun等用氟掺杂碳材料促进了电催化氧还原反应(ORR)[28-29]，表明该催化剂用于电化学还原二氧化碳可能也具有活性。最高电负性的氟掺杂到碳材料中，使其拥有很高的正电荷，氟掺杂位点可能是活性位点用于提高电化学催化反应活性。Wang等[30]制备出一种氟掺杂碳材料（FC）用于电化学二氧化碳还原（图1-3（a-b））。在0.1MKHCO3中，-0.61V（vs.RHE）时，一氧化碳的法拉第效率达90%（图1-3（c））。-0.5V~-1.0V，一氧化碳部分电流密度不超过0.3mA·cm-2（图1-3（d））。图1-3（a）FC的SEM图；（b）FC的TEM图；（c-d）CO和H2的法拉第效率及部分电流密度Figure1-3(a)SEMimageofFC;(b)TEMimageofFC;(c)FEforCOandH2;(d)partialcurrentdensityHuang[31]等采用四氟对苯二腈和氯化锌制备了一种氟氮双掺的多孔碳材料。氟元素的掺杂，促成了碳材料缺陷的生成，提高了边缘活性位点的活性，进一步增强了材料还原二氧化碳的能力。400F和550F中均有甲烷产生，700F和900F均无甲烷产生（图1-4）。四种材料中含氟量由高到低为400F，550F，而700F和900F中只有氮元素为掺杂元素（图1-5）。因此Huang的团队猜想氟元素的掺杂有利于碳基材料在二氧化碳电化学还原反应中对产物的选择性，尤其是加强了生成甲烷的能力。氮原子则有利于生成一氧化碳和氢气。图1-4（a）400F；（b）550F；（c）700F；（d）900F的法拉第图Figure1-4(a)FEof400F;(b)FEof550F;(c)FEfor700F;(d)FEof900F图1-5400F，550F，700F，900F的XPS图谱Figure1-5XPSof400F，550F，700F，900FYan[32]等开发了一种笼状结构的氟掺杂多孔碳作为二氧化碳还原的高效催化剂。该催化剂显示出均匀的薄碳壳笼状球形形态（图1-6（a-b）），具有典型的中空结构。在-1.0V时，该催化剂对一氧化碳的法拉第效率为88.3%（图1-7）。该催化剂增大表面对二氧化碳的吸附和活化作用使其性能大大提高。掺氟碳壳层上每个圆形开孔的边缘位置产生高电场，从而增加了钾离子的局部浓度，大大降低了二氧化碳还原的热力学能垒。图1-6（a）F-CPC的SEM图；（b）F-CPC的TEM图Figure1-6(a)SEMimageofF-CPC;(b)TEMimageofF-CPC图1-7F-CPC，F-HCS，F-CS，F-PC的法拉第效率图Figure1-7FEofF-CPC，F-HCS，F-CS，F-PC1.2氯掺杂碳材料Huang[31]等利用原位掺杂技术用对苯二腈和氯化锌合成了具有氟氮双掺的多孔碳材料。由图1-8（a）知，400Cl具有良好的电催化还原二氧化碳的性能，在温和的条件下能够使二氧化碳高效还原为甲烷。氟元素和氯元素均可以将二氧化碳还原为甲烷，同时提升反应的动力学过程（图1-8（a-b））。氮元素有助于碳纳米材料将二氧化碳还原为一氧化碳，卤素元素的掺杂有助于将一氧化碳进一步还原为甲烷（图1-8（a-c））。图1-8（a）400Cl的法拉第图；（b）4000F的法拉第图；（c）TETCB的法拉第图Figure1-8(a)FEof400Cl;(b)FEof400F;(c)FEforTETCBPeng[33]等以工业低硫木质素为碳源，三聚氰胺和尿素为氮源，制备了氮硫共掺杂多孔生物碳催化剂。该团队在实验过程中使用了氯化钠和氯化锌模板剂，这有助于碳材料在高温下形成丰富的孔结构（图1-9（a-d））。所制备的在-0.6V和0.1M三氧化二氢钾溶液中，ECRR对一氧化碳的高法拉第效率为95.9%（图1-10（a-b））。而该生物碳材料在二氧化碳还原表现出良好的电催化活性和一氧化碳选择性。图1-9（a-d）LC-0、LC-1、LC-2、LC-3的SEM图Figure1-9SEMimagesofLC-0,LC-1,LC-2,LC-3图1-10（a-b）LCs不同电位下CO和H2的法拉第效率及产率Figure1-10（a-b）FaradaicefficienciesandproductionratesofCOandH2withdifferentpotentialsforLCs1.3溴掺杂碳材料Kemper[34]等通过理论计算得，石墨层与溴原子之间的电荷交换高于溴原子之间的电荷交换，电子转移到Br原子增加了石墨片中空穴载流子的数量，因此增加了电导率。曾根田靖[35]等研究发现，根据碳材料的高温超导性，碳材料掺杂溴化物的行为有两种不同的情况：一种是高HTT碳(HTT≥2000℃)，另一种是低HTT碳(HTT≤1900℃)。高HTT基团的碳形成具有高达C10Br的化合物的插层化合物，并且在脱溴过程之后，例如13-25%的插层溴保留在石墨的层间空间中，形成溴残余化合物。另一方面，HTT≤1900℃的碳，除HTT1000外，仅吸收少量溴。这些溴几乎完全被脱溴过程排出。它们显然不与溴形成残余化合物。研究发现具有HTT1000的碳具有独特的性质：它吸收了可沉淀量的溴，脱溴后还存在相当大部分剩余的溴，但XRD图谱和电导率没有变化。因此，这表明残留的溴可能通过与碳原子形成弱键而存在于微晶的边缘。虽然理论计算上得出，溴的掺入可以使得掺杂的碳材料增加电导率，但仍缺乏溴氮共掺杂碳基材料用于电化学二氧化碳还原的相关研究。1.4碘掺杂碳材料Zhang[36]等用碘处理的聚苯胺制备多孔碘氮掺杂碳是有效的用于二氧化碳电还原的无金属催化剂。团聚的无定形碳颗粒组成PIPA-900，并且其表面上能观察到许多孔（图1-11（a-b））。碘氮掺杂碳催化剂表现出接近100%的一氧化碳法拉第效率（图1-12）。碘处理的碳材料不仅提高了电化学活性表面积，还降低了材料中电荷转移的电阻，而且增加了被确认为活性中心的吡咯氮的含量。图1-11PIPA-900的SEM图（a）和TEM图（b）Figure1-11（a）SEMand（b）TEMimagesofPIPA-900图1-12PIPA-600，PIPA-700，PIPA-800，PIPA-900，PIPA-1000的法拉第效率图Figure1-12FEofPIPA-600，PIPA-700，PIPA-800，PIPA-900，PIPA-1000Gao[37]等通过物理混合铜纳米粒子和CuI粉末，设计出富含Cu/Cu+界面的Cu-CuI复合催化剂。复合催化剂对C2产物的法拉第效率最高达71%（图1-13）。在碱性电解液和外加电位的诱导下，铜-铜复合催化剂在反应条件下发生了显著的重构。密度泛函理论计算提供直接证据，证明了吸附的碘物种通过影响关键一氧化碳中间体的吸附而促进碳碳偶联。图1-13Cu-CuI,Cu-Cu2O,Cu2O的法拉第效率图Figure1-13FaradaicefficiencyofCu-CuI,Cu-Cu2O,Cu2OCuenya[38]等通过改变电解液的组成探究了卤素元素对电化学二氧化碳还原的影响。-1.0V时，与电抛光箔相比，所有预氧化样品的C2-C3产量均大幅增加，法拉第效率高达65%（图1-14）。卤化物离子可以在氧化的铜表面诱导显著的纳米结构。此外，卤化物的存在降低了过电位，并增加了等离子体活化铜催化剂上的二氧化碳电还原速率，而不损失其固有的高C2、C3选择性。图1-14不同电解液对C2-3产物的法拉第效率Figure1-14FaradayefficiencyofdifferentelectrolytesforC2-3products参考文献[1]黄倩,伍晓春,吴暾艳.诺贝尔奖宠儿—碳元素的前世今生[J].化学教育(中英文),2020,41(22):1-7.[2]徐世晓,赵新全,孙平,等.温室效应与全球气候变暖[J].青海师范大学学报(自然科学版),2001,(04):43-47+52.[3]NguyenT-V,WuJCS.PhotoreductionofCO2tofuelsundersunlightusingoptical-fiberreactor.SolarEnergyMaterialsandSolarCells,2008,92:864-72.[4]OrrJFM.CO2captureandstorage:areweready?[J].Energy&EnvironmentalScience,2009;2:449-58.[5]LeQV,NguyenVH,NguyenTD,etal.Light-drivenreductionofcarbondioxide:Alteringthereactionpathwaysanddesigningphotocatalyststowardvalue-addedandrenewablefuels[J].ChemicalEngineeringScience,2021,237:116547.[6]TaheriNajafabadiA.CO2chemicalconversiontousefulproductsanengineeringinsighttothelatestadvancestowardsustainability[J].InternationalJournalofEnergyResearch,2013,37(6):485-499.[7]KondratenkoEV,MulG,BaltrusaitisJ,etal.StatusandperspectivesofCO2conversionintofuelsandchemicalsbycatalytic,photocatalyticandelectrocatalyticprocesses[J].Energy&EnvironmentalScience,2013,6:3112-3135.[8]徐泽民.热化学循环中Zn还原CO2反应的基础研究[D].浙江大学,2014.[9]张旭,孙颖,冯大明,等.金属纳米材料催化二氧化碳电化学还原的最新进展[J].辽宁大学学报(自然科学版),2018,45(02):133-143+92.[10]WhippleDT,KenisP.ProspectsofCO2UtilizationviaDirectHeterogeneousElectrochemicalReduction[J].JournalPhysicaChemistryLetter,2010,1(24):3451-3458.[11]HoriY,KikuchiK,SuzukiS.ProductionofCOandCH4inelectrochemicalreductionofCO2atmetalelectrodesinaqueoushydrogencarbonatesolution[J].ChemistryLetters,1985,14(11):1695-1698.[12]HoriY,WakebeH,TsukamotoT,etal.ElectrocatalyticprocessofCOselectivityinelectrochemicalreductionofCO2atmetalelectrodesinaqueousmedia[J].ElectrochimicaActa,1994,39(11-12):1833-1839.[13]苑琦,杨昊,谢淼,等.