陈为/魏伟/孙予罕最新Angew: 氯离子吸附助力中空纤维银电极安培级CO2电还原

第一作者（或者共同第一作者）：李守杰/董笑/赵永慧

通讯作者（或者共同通讯作者）：陈为/魏伟/孙予罕

通讯单位：中科院上海高等研究院

论文DOI：10.1002/anie.202210432

本文中，中科院上海高等研究院的陈为、魏伟及孙予罕研究团队在前期银中空纤维 (Ag HF)电极高效电还原CO₂转化生成CO的基础上，进一步通过在电极质溶液中引入氯离子，利用低配位氯离子特征吸附功能调控Ag HF电极表面电子结构，优化电还原CO₂制CO反应的动力学过程，同时极大抑制析氢副反应的发生，实现了安培级电流密度和高CO法拉第效率的稳定运行。

发展可再生电能将CO₂催化转化成碳基燃料或高价值化学品的新技术,对于缓解温室效应与消纳可再生能源具有重大意义。目前，电催化CO₂还原制CO被认为是最具经济竞争力和发展前景的策略之一。这主要是由于CO是现代化工过程基础原料合成气(CO和H₂的混合物)的重要成分，经费托合成、甲醇合成等工业过程可进一步生产一系列高附加值化学品。

然而，CO₂在水系电解质中溶解度有限、传质缓慢，导致高电流密度时电极附近浓差极化现象严重，CO₂供应不足，析氢副反应容易占据主导，CO₂还原反应活性低下，因此开发兼顾高电流密度、高法拉第效率、高稳定性的电催化CO₂反应体系仍面临着巨大挑战。

由商品银粉通过相转化/烧结法制得具有自支撑3D多孔结构的银中空纤维（Ag HF）电极，进一步通过改变电解质组成引入低配位的氯离子特征吸附在电极表面。X射线吸收谱（XAS）结合X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射谱（XRD）及电化学氯离子（Cl^-）可逆吸/脱附实验结果表明，痕量氯离子以低配位形式特异吸附在Ag HF电极上，但未改变其单质银的物相组成。

图1. 低配位氯离子吸附Ag HF电极示意及结构特征

要点2：

电化学测试结果表明，低配位氯离子吸附在Ag HF电极上，虽然未明显改变其电化学活性面积值（活性位点数量未明显增加），但显着提升了其CO₂吸附活化为*COO^-的能力，优化了电还原CO₂至CO的反应动力学。此外，电化学现场拉曼（Operando Raman）结合密度泛函理论（DFT）模拟计算同样证实了低配位氯离子吸附通过同时抑制析氢反应和优化CO₂还原动力学来提升电还原CO₂至CO的整体活性。

图2. 低配位氯离子吸附对Ag HF电极电化学性能影响

要点3：

电还原CO₂性能测试结果表明，低配位氯离子吸附不仅显著提升了Ag HF电极电还原CO₂至CO的反应选择性，同时有效抑制了析氢副反应的发生，在总电流密度达1 A cm^-2的条件下稳定运行超150 h，CO法拉第效率始终大于92%，优于文献报道结果。

图3. 低配位氯离子吸附的Ag HF电极电还原CO₂性能

综上所述，本文通过在银中空纤维电极上引入低配位氯离子特征吸附，实现了安培级电流密度下高CO法拉第效率的CO₂电化学转化。该工作为发展兼顾高电流密度、高选择性、高稳定性电催化CO₂系统提供了一种新策略。

Chloride Ion Adsorption Enables Ampere-Level CO₂ Electroreduction over Silver Hollow Fiber

陈为研究员简介：2008年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，2008-2010年在美国佛罗里达国际大学从事电化学储能方面的博士后研究；2010-2015年在沙特阿卜杜拉国王科技大学以研究科学家身份从事先进多孔膜材料方面研究；2015年8月入职中国科学院上海高等研究院，入选中科院“百人”计划。

主要研究领域包括：二氧化碳资源化利用、光电催化、碳基小分子温和转化等。以第一或通讯作者身份在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ. 等学术刊物上发表多篇高水平论文研究论文。曾获得全国百篇优秀博士学位论文，辽宁省自然科学一等奖等。

目前在重要学术杂志，如Nature，Nat. Chem.，Nature Geosci.，Nat. Commun.，Joule，Energ. Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed. 等发表高水平论文400余篇，已授权或申请国际发明专利3项、国家发明专利80余项，获中国石油天然气集团创新技术二等奖。曾荣获第13界国际催化大会优秀青年科学家奖等，享受国务院政府特殊津贴。兼任国际碳捕集领导小组成员；同时担任《化工进展》、《气候变化研究导报》、《天然气化工》、《光谱学与光谱分析》等学术期刊的编委。

孙予罕主要从事含碳资源与CO₂转化利用中催化和工程研究，以及相关纳米材料及其在绿色化学和光学中的应用研究，包括近期的清洁能源战略与解决方案研究。至今，已在Nature, Science, Nature Chem, Nature Comm, Science Advance, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Angewandte Chemie, Green Chemistry, Chemical Communication, ACS Catalysis, Journal of Catalysis, Journal of Materials Chemistry, Catalysis Today等期刊发表学术论文500余篇, 获得国家发明专利100余项，并先后多次获中科院杰出成就奖、山西省自然科学/技术进步二等奖等。

李守杰， 2017年9月-2022年6月，上海科技大学与中国科学院上海高等研究院（联合培养），硕博连读研究生；2022年6月获得工学博士学位；2022年6月至今，中国科学院上海高等研究院助理研究员，主要从事二氧化碳资源化利用、光电催化转化等研究，以第一作者身份在Nat. Commun.; Angew. Chem. Int. Ed.等重要期刊上发表数篇相关论文。

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