营造“界面微碱环境”，让CO2电还原反应更“全能” | NSR

2023-01-04 03:01

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电催化还原CO₂制备多碳产物，是一种发生在气（CO₂）、液（电解液）、固（催化剂层）三相界面上的反应。而在这个界面上，可以同时发生几种催化反应：①CO₂还原反应（CO₂RR）；②H₂析出反应（HER）；③CO₂中和反应（NER）。

电还原CO₂的气-固-液三相界面模型

在不同的电解液（酸性、中性或碱性）中，上述界面环境也有所不同，带来不同的性能反馈——表现在比电流密度（SCD），法拉第效率（FE）以及CO₂单程转化率（SPC）等方面。

不同界面环境下的反应性能

如上图所示，高碱性环境（目前流行的策略）可以抑制竞争反应HER，同时可能有利于多碳产物的形成，但会导致严重的CO₂消耗，从而大大降低CO₂单程转化率（SPC）；酸性和近中性环境则与此相反，虽然有望减缓CO₂过量消耗问题，但会加剧竞争性的HER反应。

如何平衡这一矛盾？同时实现高效多碳产物电合成和高CO₂单程转化率？

在最近发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）的观点文章中，中国科学技术大学孙永福教授和谢毅院士团队提出了界面微碱环境调控策略，可以在很大程度上实现这一平衡。

在催化剂、电极界面和电解液三个不同层次上进行调控，实现微碱环境，以增强CO₂电还原制多碳产物

如上图所示，这一策略包含催化剂、电极界面、电解液等三个层次：

催化剂设计：依赖表面结构改性实现纳米限域效应。厚度、孔隙度调整有助于促进OH^-传质，进一步的表面配体修饰能够限域OH^-以构建高局域pH。
电极界面修饰：采用离聚物修饰，构建水-气亲疏层。一方面这种结构能够实现可调的H₂O-CO₂的比例，捕获OH^-促进CO₂反应。另一方面能够形成接力催化模型，增强多碳产物形成。
溶剂化电解液：稳定溶剂化离子结构。不同的阳离子和H₂O形成溶剂化结构，从而在界面形成电场作用。这不仅可以在动力学上限制H₂O解离以抑制HER，同时可以稳定CO₂反应中间体从而促进多碳产物形成。