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銅摻雜類石墨相氮化碳應用於電催化二氧化碳還原

劉唐馨、劉庭溱

摘要

近年來，全球暖化與能源短缺問題日益嚴重。透過將催化劑應用於二氧化碳還原，並進一步探討產物中能轉換成人類可使用的燃料，如此將有助於解決兩個議題。本研究計畫以改變銅鹽(硝酸銅)與類石墨相氮化碳之前驅物中銅和碳兩者的莫耳數比，燒結成催化劑—銅摻雜類石墨相氮化碳，並用X光繞射儀(XRD)、裝載於掃描式電子顯微鏡的X光能量分佈分析儀(SEM-EDX)鑑定其結構。再將此催化劑塗至玻璃碳電極後，以氣相層析質譜儀(GC-MS)、氣相層析儀(GC)分析電催化二氧化碳還原的產物及法拉第效率，探討法拉第效率的最佳化並設法在其中找到對單一產物選擇性較高的樣品。

研究目的

  1. 改變銅鹽與類石墨相氮化碳之前驅物之中銅和碳兩者的莫耳數比，合成銅摻雜類石墨相氮化碳作為電催化二氧化碳還原之催化劑。
  2. 利用X光繞射儀(XRD)、裝載於掃描式電子顯微鏡的X光能量分佈分析儀(SEM-EDX)鑑定催化劑的結構。
  3. 在電解反應槽(electrolytic cell)進行電解，將二氧化碳還原為一氧化碳及其他可能產物，並檢測不同比例下對二氧化碳還原的電催化活性，再以氣相層析質譜儀(GC-MS)、氣相層析儀(GC)分析電催化後的產物及法拉第效率。
  4. 探討在改變合成催化劑的條件下，二氧化碳還原的產物及法拉第效率最佳化，並設法在其中找到對單一產物選擇性較高的樣品。

研究過程與方法

結論

  1. 透過XRD鑑定，在高溫爐中升溫至550˚C並維持兩小時，氫胺、雙氰胺、三聚氰胺三種前驅物都可以成功燒結成類石墨相氮化碳。
  2. 透過XRD鑑定，在管爐中升溫至550˚C並維持兩小時，銅比碳莫耳數比為0.1 : 99.9、0.5 : 99.5、1 : 99、5 : 95的比例都可以成功燒結成銅摻雜類石墨相氮化碳。
  3. 銅摻雜類石墨相氮化碳在銅的比例為0.1%、5%，且電催化還原二氧化碳的電位為-2V ~ -1.6V時能還原出甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳和氫氣等氣相產物。
  4. 不同比例的銅摻雜類石墨相氮化碳電催化還原二氧化碳時，在高電位(-2V ~ -1.6V)生成甲烷的法拉第效率隨著電位增加而增加，且最高達7%。

未來展望

  1. 偵測到催化劑還原二氧化碳的液相產物。
  2. 透過改變電位找到最適合的電解電位。
  3. 我們期望能在改變合成催化劑的條件下，二氧化碳還原的產物及法拉第效率最佳化，並尋找對單一產物選擇性較高的樣品。