简述：
方案包含催化剂的制备、电极的制备和二氧化碳电还原性能的测试、金属-CO2电池性能的测试3个流程，涉及10种设备。
核心设备：
水热釜、管式炉、H 型电解槽、电化学工作站、气相色谱、核磁 共振波谱仪、蓝电测试系统
关键词：
CO2 电还原，色谱检测，核磁检测，内标法
01
试验及流程简简述
(一)实验流程及设备
(二)相关科研团队
(三)相关论文
02
实验概念及详细流程
(一)基本概念
H型可交换电解槽、气相色谱仪 GC、核磁共振波谱仪、Nafion 膜、碳纸、铂网、内标法。
(二)实验流程
1. 催化剂（碳基材料为例）的制备
1.1 前驱体的合成注意物料的总体积要严格符合装料填充度的要求，根据计算好的溶剂和反应物的用量，把试剂依次安全转移添加到釜体内，再次检查填充度以确保在安全范围内。
手动预拧紧水热合成反应釜，将预拧紧的水热反应釜放入台钳中夹紧，然后水平套在釜盖中间，均匀缓慢保持水平的顺时针旋转釜盖至拧不动为止(切莫用力过猛，要均匀用力，拧一段停一下，避免损伤螺纹)。
将水热合成反应釜小心放入加温设备的一个确定位置，记下位置并关好炉门；设定好升温速率、保温时间、降温速率(升降温速率应不大于 5°C/min),确保程序无误后，启动工作；工作期间确保实验室安全措施到位，保温完成后，降温至室温即可关掉加热设备，打开炉门取出水热合成反应釜。
1.2 材料的提纯和干燥取出水热合成反应釜放入台钳夹紧，拧开时需注意先泄压再打开，然后水平套在釜盖中间，均匀缓慢保持水平的逆时针旋转釜盖，略微松开，完全排除釜内压力，重复旋盖泄压，直至确保完全泄压，手动拧开釜盖。
双手平稳捧紧釜体，以合适速度倾倒釜内物料，或者用吸管等吸出物料转移至烧杯等其他容器内，再清洗水热合成反应釜、烘干保存。
对转移出的物料进行离心分离或真空抽滤等操作，多次重复，确保杂质的除去，最后将提纯的产物放入真空干燥箱烘干。
1.3 热处理将干燥后的前驱体放置在石英瓷盅内，用钩勺将瓷舟推置管式炉的中间（为防止粉末倍气流吹跑，可在瓷盅上方盖上一块石英玻璃板），塞上两块隔热炉塞，使第二个炉塞的末端与炉体侧面平齐。装上气炉法兰，确认密封垫落入槽中。
接通气路，对各接头处用肥皂水检漏，确认不漏气。确认各阀门处于关闭状态。设置管式炉升温程序，通 20min 的气体排尽原来空气后，开始加热。或者将瓷舟放置于马弗炉的中间，关闭炉门，设置升温程序后开始加热。
2. 电极的制备和二氧化碳电还原性能的测试
2.1 催化剂浆液的配制
将 10mg 合成的催化剂粉末分散在 1950 μL 的乙醇中，加入 50 μL 的 Nafion5%溶液，在超声分散 1 小时以得到均一的浆液。
2.2 催化剂的涂覆
①用金相砂纸和 Al2O3 粉末(50 nm)打磨玻碳电极，超纯水超声清洗，去除电极表面的杂质，干燥待用; 将上述催化剂悬浊液均匀地涂覆在玻碳电极表面，室温下干燥，即得工作电极。
②用移液器将浆液滴到干净的碳纸上面，并在室温下自然晾干，通过前后称重确定催化剂的负载量，对于二氧化碳电还原负载量极为重要需谨慎称量。
2.3 二氧化碳电还原性能的测试电催化还原性能测试采用电化学工作站(CHI-760E)。
实验为标准三电极体系，以玻碳电极为工作电极，铂网为辅助电极，Ag/AgCl 电极(含饱和 KCl溶液)或饱和甘汞电极 SCE 为参比电极。实验装置为密闭的 H-型电解槽，为防止 CO2 还原产物被氧化，电解槽的阴极和阳极用阳离子交换膜(Nafion 211)隔开。
2.3.1 循环伏安行为(CV)和线性伏安行为(LSV)的研究循环伏安法通常用于研究电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数等。将 N2 和 CO2
通入电解池中，在工作电极上施加三角波脉冲电压，得到一定电压范围内的电流电压曲线，一次三角波扫描，完成一个氧化还原过程的循环。
本文采用循环伏安法测试 CO2 在催化剂表面的还原电位和工作电极的电化学活性面积，初步判定 CO2 体系中的还原电位区间，及催化剂材料对 CO2 的活化能力。线性扫描伏安法是在工作电极和辅助电极之间施加与时间呈线性关系的电势，记录电势、电流的变化趋势。
本研究用该方法测试各催化剂体系下 CO2 还原的起峰电位和电流响应，初步判断催化剂还原 CO2 的催化性能。根据实验体系设定线性扫描的电压范围，扫描速率一般为 50 mV·s-1。
2.3.2 交流阻抗(EIS)的研究电化学阻抗法是一种暂态电化学技术，以小振幅的对称交流电为扰动信号，对电极进行极化，可在很宽频率范围内测量得到阻抗谱，采用电化学阻抗法测试在电催化还原 CO2 过程中电极表面的阻抗值大小，判断电子在负载有催化剂的电极表面的传输速率，初步分析催化反应的动力学机理。
交流阻抗的研究所使用的装置与循环伏安行为和线性伏安行为的研究的装置相一致。
2.3.3 电活性表面积(ECSA)的测试
根据催化剂的特点，不同催化剂的 ECSA 采用不同的测试方法，主要依据循环伏安法进行研究。
第二种：采用三电极体系，以N2饱和的0.5MH2SO4或0.1MHClO4溶液为电解质，在非法拉第电流的电位区间下进行循环伏安行为的测试，主要依据双电层电容的方法：ECSA=Cdl/CsCdl=Ic/V。其中 Cdl 为双电层电容，Cs 为相应材料的标准双电层电容，Ic 为某一电位下的阴极电流强度。
2.3.4 塔菲尔曲线的测试
塔菲尔曲线是指符合 Tafel 关系的曲线，主要为极化曲线中强极化区的一段该段曲线(E-logj)，在一定的区域( Tafel 区)呈现线性关系，满足 Tafel 公式:Ƞ=a+b logj，式中 Ƞ 为超电势，j 是电流密度，a 是 j 等于单位电流密度时的超电势值，与电极材料、电极表面状态、溶液组成以及实验温度有关，b 是 Tafel 斜率。
2.4 二氧化碳电还原产物分析
在控制电压恒定的条件下进行电化学反应，记录各个电压下电流随时间的变化关系，即得电流-时间曲线。在电化学反应过程中，随反应时间的延长电极表面的状态不断地发生变化，电流大小也就会发生相应的波动。
如果电流值的波动范围较小，总体可以维持在一个固定值附近，说明电极表面状态较为稳定，反之，若电流波动范围较大，则说明电极表面发生了较为严重的变化。
通过测定电流-时间曲线来判定催化剂材料在该电解体系中的稳定性，并对比各个电压下得到的电催化还原产物的法拉第效率，研究电解电压对电催化还原反应效率的影响。
将反应池里收集到的液相产物通过核磁共振(NMR)进行定性检测，气相产物通过反应池上方进入气相色谱(GC)进行定性和定量检测，液体产物主要为甲醇、甲酸和乙醇，气相产物主要是一氧化碳、甲烷、乙烯和氢气。
2.4.1 CO2 电催化还原的气相产物
在 CO2 电还原性能测试之前，阴极室内至少通入 30 分钟的 CO2 气体。
测试过程中，通过流量控制器，以恒定的 20 mL/min 的流速不断通入 CO2 使其净化与饱和。产生的气体产物直接通入气相色谱进行成分与含量的测定。
每个电位至少电解 20min 后再进行气相产物的分析。
当采用下图中的色谱气路进行测试时，待测气体样品一部分经过 TCD 进行 H2 产物的定性定量分析，在经过 MIN 进行 CO，CH4 产物的定性定量分析;另一部分进入氢火焰离子化检测器(FID)进行 C2 等烃类气体的定性定量分析。
气相色谱标线的标定采用已知浓度的标准气。计算浓度方法为内标法，通过法拉第计算公式，得出法拉第效率。
2.4.2 CO2 电催化还原的液相产物
用安捷伦科技有限公司生产的核磁共振波谱仪(Agilent 600 DD2)检测。氢原子具有磁性，如电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。
用核磁共振仪可以记录到有关信号，处在不同环境中的氢原子因产生共振时吸收电磁波的频率不同，在图谱上出现的化学位移也不同。利用化学位移及峰面积，进而推测其在碳骨架上的位置，由此对有机物进行定性和定量分析。
首先用所用的电解液配制已知浓度的标准待测液，经过核磁共振波谱仪测试获得不同强度的标准样的核磁共振信号，计算所获得的标准样的核磁共振峰面积和已知的标准待测样的浓度即可获得线性回归曲线。
催化剂的核磁测试样品制备是至少电解 2个小时后，从阴极池内取出 1 mL 电解液，再加入 200 μL 的氘水(D2O)和 0.1 μL 的DMSO。
混合均匀后，取 600 μL 注入核磁管进行测试。保证样品制备中所有的配比和标线测定时一致。如下图产物甲酸的核磁共振氢谱(1H-NMR):
3. 金属-CO2 电池性能的测试
3.1 水系电池的组装以水系锌-二氧化碳电池为例，在定制的电池模具中(多为高分子塑料)，在中间用双极膜隔开，左右两室装上不同的电解液。
将砂纸机械抛光后的锌板作为阳极，涂覆了催化剂的碳纸作为阴极，二氧化碳始终通入阴极一侧。
3.2 电池性能的测试利用蓝电系统对电池的充放电性能进行测试，蓝电系统的选择根据电池的特性选择。
03
核心设备参数
（内容来源：木木西里产品中心）
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