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张小明 2025/12/31 18:52:44
专业的常州网站建设,用外国人的照片做网站,个人可以做商城网站,企业所得税优惠政策最新2023规定导语 将温室气体CO₂高效、高选择性地转化为高价值化学品#xff0c;是实现“双碳”目标的核心技术之一。近日#xff0c;中国石油大学吴文婷教授、宁汇副教授及天津大学陈亚楠教授团队在国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》上发表创新成果。该研究采用一种毫秒级焦…导语将温室气体CO₂高效、高选择性地转化为高价值化学品是实现“双碳”目标的核心技术之一。近日中国石油大学吴文婷教授、宁汇副教授及天津大学陈亚楠教授团队在国际权威期刊《Chemical Engineering Journal》上发表创新成果。该研究采用一种毫秒级焦耳加热技术在0.5秒内于碳纸上原位制备出自支撑、无粘结剂的铋铟BiIn合金膜电极。该电极在电催化CO₂还原反应中表现出接近完美的性能甲酸法拉第效率近100%并在工业级电流密度下稳定运行超过120小时为CO₂资源化利用提供了极具潜力的电极材料与高效制备方法。研究亮点超快制备工艺利用焦耳加热实现0.5秒瞬时升温至1200°C并快速冷却将传统数小时的材料制备过程缩短至秒级。独特电极结构成功在碳纤维表面构筑均匀、连续的纳米级合金膜约110nm厚替代了传统的粉末粘结电极极大优化了导电性与稳定性。接近完美的选择性在H型电解池与固态电解质池中甲酸产物的法拉第效率均接近100%选择性极高。卓越的工业级稳定性在-100 mA·cm⁻²的高电流密度下连续运行120小时性能衰减极低展现了强大的应用潜力。图文解析图1制备流程示意——快与慢的哲学研究对比了焦耳加热法路径1与传统管式炉法路径2的本质区别。前者在0.5秒内完成超高温反应与淬冷成功“冻结”形成均匀的合金膜后者缓慢的升降温过程则只能得到颗粒团聚物。这张图直观揭示了极端非平衡过程是实现理想膜结构的关键。图2形貌与结构——纳米合金膜的直观证据SEM图像清晰显示经焦耳加热处理的碳纸表面覆盖了一层褶皱状、致密连续的纳米薄膜与光滑的原始碳纤维形成鲜明对比。HRTEM图像进一步确认了薄膜的晶体结构EDS元素面扫描图则证明了Bi与In原子在膜内达到了原子尺度的均匀混合这是其高性能的结构基础。图3 图4内在性质解析——热力学与电子协同热重分析表明BiIn合金的前驱体还原温度低于单金属从热力学上证实了合金化更易进行。XPS分析揭示了性能提升的电子机制合金中In的电子向Bi转移形成了独特的电子协同效应优化了催化中心的电子结构从而提升了本征活性。图5性能评估——数据说话LSV曲线显示BiIn合金膜具有最正的起始电位。最令人印象深刻的是其在两种电解池中的表现在H型池中于-1.3 V电压下甲酸盐法拉第效率接近100%在更接近工业应用的固态电解质池中于-100 mA·cm⁻²电流密度下稳定运行120小时甲酸选择性始终保持在90%以上数据全面优于大多数已报道的催化剂。图6机理揭示——理论计算与实验印证研究通过原位拉曼光谱在808 cm⁻¹处捕获到关键反应中间体•OCHO的信号其在合金膜上的信号强度远高于单金属说明合金表面对该中间体具有更强的稳定作用。DFT计算进一步从理论上阐明Bi-In双位点能最优地调控p带中心显著降低CO₂还原至甲酸的反应能垒从原子尺度阐明了高选择性根源。⚙️技术支撑毫秒级焦耳加热系统核心是能实现瞬时超高功率放电与精准控制的设备为快速合成提供极端热场。先进表征平台结合SEM、HRTEM、XPS、原位拉曼等从微观形貌到电子结构进行全面解析。标准化电化学测试体系采用多类型电解池H型池、固态电解质池进行性能与稳定性评估确保数据严谨可靠。理论模拟计算通过DFT计算深入揭示催化活性位点的电子结构与反应路径指导材料设计。总结与展望本研究通过创新的焦耳加热策略成功解决了传统粉末催化剂电极存在的界面电阻高、活性位点包裹等问题。其核心价值在于利用超快非平衡合成动力学一步制备出兼具优异导电性、丰富活性位点和高稳定性的无粘结剂一体化电极。所获得的BiIn合金膜在CO₂电还原制甲酸反应中实现了活性、选择性与稳定性的高度统一性能指标达到国际领先水平。这项工作不仅为CO₂高值转化提供了优异的电极材料其快速、可扩展的制备方法更为未来设计其他高性能合金催化膜开辟了新范式有望推动电催化CO₂还原技术向工业化应用迈出坚实一步。文献信息Hui Ning, Rui Zhou, Minjun Zhou, et al. Fast preparation of BiIn alloy membrane by joule heating for highly-efficient CO2 electroreduction.Chemical Engineering Journal, 2026, 527, 171697.https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171697
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