场致效应增强二氧化碳还原及其反应机理研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21872174
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    66.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0205.电化学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Fossil fuels are currently the major energy source and are rapidly consumed to supply the increasing energy demands of mankind. Carbon dioxide (CO2), an inevitable product of fossil fuel combustion, leads to possible climate change and may pose a serious impact on our environment. There is an increasing need to mitigate CO2 emissions using carbon-neutral energy sources. The electrochemical reduction of CO2 (CO2RR) offers a compelling route to energy storage and high-value chemical manufacture. It enables the use of increasingly abundant renewable energy sources, such as solar and wind, to drive the conversion of CO2 to renewable fuels and feedstocks. Despite recent breakthroughs, the energy efficiency of CO2RR is still far from being a viable alternative to fossil energy sources. Improvements in both selectivity and activity of CO2RR at low overpotential are of crucial importance to continue the advance in the direction of commercial viability.. Recently, we reported that nanostructured electrodes produce, at low applied overpotentials, local high electric fields that concentrate electrolyte cations, which in turn leads to a high local concentration of CO2 close to the active CO2 reduction reaction surface. This result points to field-induced reagent concentration (FIRC) as a means of enhancing CO2RR appreciably. Unfortunately, this effect has been only demonstrated in CO2RR to single-carbon products reduction. Here, we would like to extend FIRC to more challenging CO2RR to multi-carbon productions, such as ethylene, ethanol, et al. To this end, we will optimize the local electric field by controllable preparation of metal and metal alloy nano needles. Then, the electronic structure of the nano needle surface and interface will be well modified by atomic layer deposition to reach high activity and selectivity of CO2RR to multi-carbon productions. The atomic and electronic structures of the materials and their surface and interface will be fully investigated using in-situ X-ray absorption spectroscopy. Finally, we will use in-situ Raman and in-situ FTIR to study the CO2RR process and the key intermediates, paving an avenue to reach the real CO2RR mechanism. These knowledge will provide guidelines for high efficient catalyst design and preparation for high efficiency CO2RR to multi-carbon products and accelerate its practical applications.
随着社会的发展,能源危机日益严重,与此同时,二氧化碳排放量亦逐年增加,这些对人们的生存造成了严重威胁。采用电催化方法还原二氧化碳,可以在比较温和的条件一步直接获得一氧化碳、乙烯和乙醇等高值化学品和液体燃料。同时,该过程与可再生能源或富余核能利用相结合,实现大规模电能存储,表现出极具潜力的应用前景,已成为相关领域一个重要的研究热点。我们将围绕新近发现的金属纳米针尖引起的催化反应新机制——场致反应物浓度机制,通过制备金属纳米针尖及其复合物,实现对局域电场的调控及金属纳米针尖表界面的调控,通过原位同步辐射X射线吸收光谱探索二氧化碳还原与材料电子结构的构效关系,并通过原位拉曼光谱和原位红外光谱对二氧化碳还原过程和关键中间物产生及转变过程进行研究,揭示二氧化碳还原真实过程及机理,为高效催化剂设计及制备提供理论指导,实现CO2还原到多碳产物,如乙烯、乙醇等,效率和选择性的提高,推进二氧化碳工业进程。

结项摘要

电催化CO2还原技术因其温和的反应条件可被认为是解决当前能源问题和温室效应的有效途径。新近研究发现,纳米针尖引起的场致反应物浓度机制可以有效增强CO2还原性能,是一种极有潜力的调控策略。通过调控局域电场和针尖表界面,利用X射线吸收光谱和原位表征技术研究CO2还原与材料电子结构的构效关系,揭示CO2还原反应机理。我们获得了以下系列成果:(1)通过调控表面曲率,实现局部电场增强有效促进了Cu催化剂对 C2产物的选择性。(2)构建有序纳米针尖阵列结构可以大大增强局域电场,催化剂为CoS2时可以促进碱性条件下的电化学析氢性能。(3)类似纳米针尖阵列结构,催化剂为Ag时可以抑制HER,促进CO2还原。(4)类似纳米针尖阵列结构,催化剂为Cu时提升表面K离子浓度,有利于*CO吸附,提升对C2产物的选择性。(5)通过铜纳米针包覆聚四氟乙烯实现局部电-热场的协同增强,提高*CO中间体和促进C−C耦合从而高效转换二氧化碳为C2产物。(6)Ag催化剂表面Sn杂原子诱导的局域电场增强了对*COOH的吸附,有利于CO2还原为CO。

项目成果

期刊论文数量(76)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(14)
Vertical SrNbO2N Nanorod Arrays for Solar-Driven Photoelectrochemical Water Splitting
用于太阳能驱动光电化学水分解的垂直 SrNbO2N 纳米棒阵列
  • DOI:
    10.1002/solr.202000448
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Solar RRL
  • 影响因子:
    7.9
  • 作者:
    Cao Maoqi;Li Hongmei;Liu Kang;Hu Junhua;Pan Hao;Fu Junwei;Liu Min
  • 通讯作者:
    Liu Min
Plasma-treatment induced H2O dissociation for the enhancement of photocatalytic CO2 reduction to CH4 over graphitic carbon nitride
等离子体处理诱导 H2O 解离,增强石墨氮化碳光催化 CO2 还原为 CH4 的能力
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2019.145173
  • 发表时间:
    2020-04-01
  • 期刊:
    APPLIED SURFACE SCIENCE
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Jiang, Kexin;Zhu, Li;Liu, Min
  • 通讯作者:
    Liu, Min
Low-overpotential selective reduction of CO2 to ethanol on electrodeposited CuxAuy nanowire arrays
在电沉积 CuxAuy 纳米线阵列上低过电位选择性还原 CO2 为乙醇
  • DOI:
    10.1016/j.jechem.2019.03.030
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Journal of Energy Chemistry
  • 影响因子:
    13.1
  • 作者:
    Zhu Weiwei;Zhao Kuangmin;Liu Suqin;Liu Min;Peng Feng;An Pengda;Qin Binhao;Zhou Huimin;Li Hongmei;He Zhen
  • 通讯作者:
    He Zhen
Identification of the active site during CF4 hydrolytic decomposition over γ-Al2O3
γ-Al2O3 上 CF4 水解过程中活性位点的识别
  • DOI:
    10.1039/d1en01202a
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Environmental Science: Nano
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhang Hang;Luo Tao;Long Yan;Chen Yingkang;Fu Junwei;Liu Hui;Hu Junhua;Lin Zhang;Chai Liyuan;Liu Min
  • 通讯作者:
    Liu Min
Missing-linker metal-organic frameworks for oxygen evolution reaction
用于析氧反应的缺失连接体金属有机框架
  • DOI:
    10.1038/s41467-019-13051-2
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Nature Communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Xue Ziqian;Liu Kang;Liu Qinglin;Li Yinle;Li Manrong;Su Cheng Yong;Ogiwara Naoki;Kobayashi Hirokazu;Kitagawa Hiroshi;Liu Min;Li Guangqin
  • 通讯作者:
    Li Guangqin

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其他文献

一些特殊定向图及其Mycielskian图的彩虹连通数
  • DOI:
    10.14100/j.cnki.1008-9659.2019.01.005
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    新疆师范大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘敏;边红;于海征;赵菲菲
  • 通讯作者:
    赵菲菲
Exploring nuclear symmetry energy with isospin dependence in neutron skin thickness of nuclei
探索核对称能与核中子皮厚度的同位旋依赖性
  • DOI:
    10.1088/1674-1137/35/7/006
  • 发表时间:
    2011-07
  • 期刊:
    Chinese Physics C
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    刘敏;李祝霞;王宁;张丰收
  • 通讯作者:
    张丰收
上海春季近地面大气N_2O浓度空间分布特征及其影响因素
  • DOI:
    10.13292/j.1000-4890.201609.009
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    生态学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    魏宁;佘倩楠;彭霞;朱希扬;潘晨;徐茜;刘敏;象伟宁
  • 通讯作者:
    象伟宁
基于形式概念分析探讨《伤寒杂病论》脉浮诊治规律
  • DOI:
    10.13359/j.cnki.gzxbtcm.2016.02.026
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    广州中医药大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张珏;刘敏;潘志立;梁嘉鸣;李赛美;刘超男;邹月媚
  • 通讯作者:
    邹月媚
细胞焦亡分子机制及其相关疾病中医药研究进展
  • DOI:
    10.19879/j.cnki.1005-5304.202004389
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    中国中医药信息杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王启芝;刘敏;刘雨;柏正平
  • 通讯作者:
    柏正平

其他文献

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AI项目思路

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刘敏的其他基金

表面活性基团调控Al2O3促进CF4催化分解研究
  • 批准号:
    22376222
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目
原位光谱研究二氧化碳还原
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    3 万元
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
原位同步辐射研究铜基超薄材料电化学二氧化碳还原反应机制
  • 批准号:
    U1932148
  • 批准年份:
    2019
  • 资助金额:
    67.0 万元
  • 项目类别:
    联合基金项目

相似国自然基金

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  • 批准号:
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  • 资助金额:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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