【摘要】：乙醇作为燃料、化工原料和溶剂被广泛应用，但传统的乙醇生产方法如粮食发酵、乙烯水合等基本都存在乙醇选择性低、生产成本高、工艺流程复杂等问题，因此寻找新的乙醇生产方法成为当前研究的热点。本研究采用沉淀法制备的ZIF-8载体，经焙烧后用Co金属浸渍，得到分散性良好的/NC催化剂，将其用于甲醇电催化产乙醇，考察了催化剂焙烧气氛对甲醇电催化性能的影响。采用XRD、BET、ICP、元素分析、XPS、HS-LEIS、TEM、ESR、Raman、接触角测试等表征方法对/NC及其衍生物催化剂进行表征分析，探究//NC催化剂上甲醇电催化产乙醇的反应机理。结果表明：未钝化的/NC催化剂表现出最好的催化性能，其次是氧化催化剂，还原催化剂最差；在30℃，工作电压为0.85 V，电流密度为10 mA/cm2，反应时间为4.5 h，反应溶液pH为11.5，搅拌速度为600 r/min，催化剂用量为12.5 mg/cm2时，反应性能达到最优水平，此时甲醇转化率为257.0 g·m-2·h-1，乙醇选择性为95.1%，法拉第效率为12.5%。
XRD表明催化剂中存在（111）和（200）晶面；TEM表明催化剂分散性良好，粒径为10.73nm；XPS表明3种催化剂中低价金属钴的比例排序为：还原未钝化氧化；ESR表明催化剂中碳缺陷的顺序为：未钝化氧化还原ZIF-8-C；Raman表明3种催化剂中碳缺陷均以空穴形式存在。结合表征与实验结果可以发现，乙醇产率与低价金属钴含量、碳缺陷量呈正相关，表明Co与碳空位的协同效应可以促进甲醇直接电催化产乙醇。反应过程中催化剂的LSV、Tafel测试及ESR自由基捕获实验结果表明，低价钴金属上生成的·CH2OH(正电荷)与碳缺陷上生成的·CH3(负电荷)结合生成乙醇，而甲醇电催化副产物适量水的HER效应促进了甲醇的进一步电解。在此基础上进一步研究了Co/NC催化剂的反应性能，利用XRD、BET、元素分析、ICP、TEM等方法对催化剂进行表征。结合催化评价发现，在相同金属含量的条件下，催化剂的比表面积和粒径对反应活性影响较大。本研究中，较大的比表面积(195.20 m2/g)和较小的粒径(5.10nm)均有利于甲醇的转化和乙醇的生成，其中Co/NC-30催化剂的催化性能最好。另外，在Co/NC-30催化剂的基础上引入P123和F127，研究了不同配比模板剂对催化剂性能的影响，结果表明，P123：F127=3：2的催化剂效果最好，甲醇转化率和乙醇选择性分别为341.7 g·m-2·h-1和91.9%。