冯小峰/胡勋，ACS Energy Lett.：微环境调节显威力，CO2还原提效率- 大数跨境

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冯小峰/胡勋，ACS Energy Lett.：微环境调节显威力，CO2还原提效率

科学材料站

2021-04-12

导读：本文首先制备了铋基二位片状材料，其形貌类似于绽放的花朵，在工作电势下可以被还原为金属铋，且能高选择性的将CO2催化还原为CO和甲酸离子。

文章信息

调节气体扩散电极微环境实现高效CO2转化甲酸盐

第一作者：邢卓

通讯作者：胡勋*，冯小峰*

单位：济南大学，中佛罗里达大学

研究背景

近年来，各国能源格局随着科学技术的不断探索正在悄然转变，利用CO2制备高附加值的化学原料不仅能够缓解对矿物燃料的依赖，还能助力人类社会达到碳中和目标。

利用电催化技术将CO2还原为甲酸根是该研究领域内的一个重要方向，基于甲酸的燃料电池已经具有相当的市场规模和广阔的应用前景，因此对其更深入的研究将推动电催化CO2技术的商业应用。

目前对该领域的研究多数集中在催化材料性能的提升上，但是针对催化材料局域微环境的理解和调控并没有得到足够重视，然而近期已有工作表明微环境在材料整体性能表现上举足轻重。

文章简介

冯小峰和胡勋教授的研究团队近期针对微环境的研究取得新进展，他们发现在使用相同催化剂的情况下，使用惰性疏水PTFE颗粒改善催化层疏水性，可以大幅提升催化剂的性能表现。

文章首先制备了铋基二位片状材料，其形貌类似于绽放的花朵，在工作电势下可以被还原为金属铋，且能高选择性的将CO2催化还原为CO和甲酸离子。在此催化剂的基础上，作者将纳米级的PTFE粉末均匀分散到催化层中，反应前后的接触角测试表明该方法可以显著提升催化层的疏水性。气体扩散电解池可以在CO2电化学还原测试中有效解决CO2的传质限制，而提升的催化层疏水性则能进一步配合改变催化位点附近的微环境。

性能测试表明，疏水的微环境可以在较高的电势范围内提高100 mA/cm2以上，达到496 mA/cm2，而且还可以通过增加气体流量将电流密度推高到709 mA/cm2，是未优化微环境的样品的两倍。同时优化的微环境也能帮助催化剂将CO2还原反应的选择性维持在80%以上，整体的最优CO2转化效率可达38%。

在不改变催化剂本身的情况下，仅仅依靠改变催化剂的微环境，将其各项催化指标提升到世界前沿水平。分析表明疏水的微环境可以在催化层中建立有效的气液平衡，使催化位点处于更有利的状态。该工作有力的证明了微环境在CO2电催化还原技术中的重要作用，并通过实验分析加深了对微环境的理解。

图1，添加PTFE纳米颗粒改善催化层微环境的催化性能对比。

本文要点

要点一：微环境的优化有助于CO2电催化还原的性能

微环境是催化位点附近复杂的局域反应因素的集合，它有别于相对稳定的系统环境，但在催化反应过程中起着至关重要的作用。实验具体操作中，可以通过分散纳米级的PTFE颗粒来改变微环境的疏水性。

性能测试表明，优化的疏水微环境可以在相同外界条件下，大幅提升催化剂的选择性和活性，并对气体流量产生更为明显的响应，从而在整体上提升CO2的转化效率。

要点二：通过催化层的PTFE来调控微环境的疏水性

基于PTFE纳米颗粒的化学惰性和物理特性，微环境的疏水性可以通过调节其分散在催化层中的百分比来调控。

研究表明，PTFE纳米颗粒的百分含量可以通过调节催化位点的暴露于溶液的占比，以及气体的扩散层厚度来控制催化剂的反应活性和选择性。然而较弱和过强的疏水性都不利于催化反应，只有适中的疏水性才能保证CO2气体分子和质子的供给，保证催化反应的高效进行。

要点三：控制微环境的疏水性达到气液平衡

根据催化位点的局域环境及活跃状态，可以将它们系统的分为三类状态。由于施加外电势使催化剂在反应过中更容易产生亲水的表面，催化位点往往会被电解液完全淹没，不利于CO2的传递，该位点则处于不利状态。

而提升微环境的疏水性在宏观上其实是在催化层中建立气液平衡，可使部分催化位点能够同时获得更多的CO2气体分子及有效的质子传输，使其处于有利状态。而合适的疏水性则能维持最佳的气液平衡，使更多的催化位点处于有利状态，从而整体上提升催化剂的性能表现。

图2，催化位点所处的三种不同状态。

文章链接

Tuning the Microenvironment in Gas-Diffusion Electrodes Enables High-Rate CO2 Electrolysis to Formate

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00612?goto=articleMetrics&ref=pdf

通讯作者介绍

冯小峰教授。

冯小峰于2007年于北京大学物理学院获得学士学位，2009年于清华大学物理系获得硕士学位，2013年于加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）材料科学与工程系获得博士学位，随后加入斯坦福大学（Stanford University）化学系进行博士后研究工作。他于2016年加入中佛罗里达大学（University of Central Florida）物理系任tenure-track助理教授，他目前的研究主要集中于电化学催化和可持续能量转换，利用可持续的电能来把二氧化碳废气转化为化学燃料，把氮气和水转化成氨等，相关研究工作主要发表在Nature Communications, JACS, ACS Catalysis等杂志上。由于突出的研究贡献，他于2019年获得斯隆研究奖（Sloan Research Fellowship）和美国自然科学基金委 NSF CAREER Award。

胡勋教授。

胡勋2004年开始在中国科学院兰州化学物理研究所开始从事生物质资源化利用研究，2010年初到2016年底在澳大利亚Curtin University进行研究工作。2016年加入济南大学材料科学与工程学院。研究课题围绕秸秆等固体废弃物转化制备功能碳材料、液体燃料和精细化学品展开。具体研究工作涉及生物质裂解和气化、生物质衍生物加氢和酸催化转化、水蒸气重整、甲烷化、VOC催化氧化和电催化还原二氧化碳和有机物的等研究方向。胡勋博士2017年入选山东省“泰山学者-特聘专家”项目，2019年入选江苏省高层次人才创新创业引进计划（创业类）。2020年获得山东省青年五四奖章。自2006年以来，胡勋博士在本领域重要期刊上发表200余篇SCI论文。其中40余篇为以第一作者的身份发表。文章被引用5700余次，H指数为42。ESI高被引论文12篇，热点论文1篇。

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