綠電驅(qū)動(dòng)CO₂催化轉(zhuǎn)化制高值化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。當(dāng)前，大多數(shù)研究采用堿性或中性電解質(zhì)，用于抑制競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)的同時(shí)促進(jìn)CO₂還原反應(yīng)。然而在大電流密度反應(yīng)條件下，催化劑表面無(wú)論是發(fā)生CO₂還原反應(yīng)還是析氫反應(yīng)，H⁺的快速消耗都會(huì)使局部處于強(qiáng)堿環(huán)境，輸入的大部分CO₂并沒(méi)有被還原，而是通過(guò)與OH^-反應(yīng)生成碳酸鹽，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑表面可用的CO₂顯著減少，析氫反應(yīng)占主導(dǎo)，CO₂單程碳效率較低，阻礙CO₂電還原的實(shí)際應(yīng)用。在酸性電解質(zhì)中電還原CO₂能夠有效規(guī)避CO₂損失問(wèn)題，但面臨嚴(yán)重析氫副反應(yīng)。因此發(fā)展酸性體系下高效CO₂電催化轉(zhuǎn)化是CO₂資源化利用的重要研究方向。

針對(duì)以上問(wèn)題，上海高等研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海高研院”）魏偉、陳為研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用分層次微/納米結(jié)構(gòu)銀中空纖維透散電極系統(tǒng)研究了催化劑微環(huán)境(如局部K⁺/H⁺和CO₂濃度)對(duì)酸性介質(zhì)(pH = 1)中CO₂電還原性能的影響。研究成果以“Ampere-level CO₂ electroreduction with single-pass conversion exceeding 85% in acid over silver penetration electrodes”為題發(fā)表在Nature Communications上。

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和密度泛函理論計(jì)算表明：1）酸性電解質(zhì)中高濃度K+的存在控制并促進(jìn)了高效CO₂還原反應(yīng)的發(fā)生；2）銀中空纖維電極的獨(dú)特構(gòu)型能夠誘導(dǎo)可控的CO₂輸入，協(xié)調(diào)了強(qiáng)酸電解液中銀活性位點(diǎn)的CO₂/H⁺平衡，有利于CO₂活化和關(guān)鍵中間體*COOH的形成，從而促進(jìn)了CO的生成。通過(guò)優(yōu)化陰極組成(H+/K+濃度)和輸入CO₂流速，在強(qiáng)酸性電解液中，獲得了4.3 A /cm²的CO電流密度和95%的CO法拉第效率，CO₂單程碳效最高可達(dá)87%，并在2 A/cm²大電流下穩(wěn)定運(yùn)行超200 h，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

該工作為酸性體系下高效CO₂電催化轉(zhuǎn)化研究提供了新思路。論文第一作者為上海高研院李守杰博士、董笑博士（共同一作）和吳鋼鋒博士（共同一作）。上述研究得到了科技部催化科學(xué)重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院潔凈能源先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、上海市科技委員會(huì)碳中和項(xiàng)目以及內(nèi)蒙科技廳重大項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)支持。(圖/文 李守杰、董笑、陳為)

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圖1. 銀中空纖維透散電極酸性CO₂電還原示意圖