Nature Chemical Engineering观点文章: 如何表征CO₂还原的稳定性

邃瞳科学云

2025-05-19

虽然化学反应器只需有限的维护即可运行数年，但没有任何反应器本质上是稳定的。催化剂和组件会随着时间的推移而自然降解。但是，如果降解足够缓慢，并且能够被理解，那么随着时间的推移性能损失就不会妨碍商业化。例如，热化学反应可以在逐渐升高的温度下进行，以弥补催化剂的降解。近年来，人们对各种电化学反应进行了研究，以支持各行各业的可再生电气化，而稳定性是未来使用的关键所在。遗憾的是，在二氧化碳电解等领域，人们将更多的精力放在了实现稳定性上，而不是对降解进行表征，从而错失了良机。本视角对稳定性--一个有缺陷的性能指标--进行了批判性的反思，并主张转换思路，对伪稳态运行进行表征。此外，还对二氧化碳电解过程中存在的瞬态降解机制和伪稳态降解机制进行了分类，并推荐了表征方法。总之，重新定义稳定性是提高稳定性的最佳途径。

对我们的物理世界进行量化，可以让我们得出现象学结论、提取趋势、进行统计分析和利用控制实验。从本质上讲，数字数据是自然科学的基础。电化学技术也不例外，电流密度 (j)、电压 (V) 和法拉第效率 (FE) 等可测量量占据着中心位置。稳定性也被一致宣称为关键的性能指标，但稳定性的量化却比其对应指标更加模糊。值得注意的是，电流密度、电压和 FE 可作为单个数据点报告，在特定时间点可直接测量。这些指标在很大程度上可以通过支持数据、误差分析和文献交叉引用来验证，从而为其数值增添分量。另一方面，稳定性描述了可测量量在一段时间内的变化。在数百小时的运行过程中，需要进行控制实验、时间要求和特征描述实践来确定稳定性，因此，将所获得的数据提炼为单一的有用值自然变得更加复杂和具有挑战性。在量化稳定性方面存在的这些差异，以及缺乏公认的报告标准，降低了稳定性在新型电化学文献中的价值。

稳定性的定义和量化缺乏特异性，这对电化学二氧化碳还原（CO2RR）领域尤其具有挑战性。这种挑战在零间隙膜电极组件 (MEA) 系统（图 1a）中尤为突出，因为在该系统中，局部条件无法像在专门用于表征催化剂的电池中那样容易控制或测量。此外，在 CO2RR 中还有大量的性能指标和产品需要表征。CO2RR 中不稳定因素众多，包括盐沉淀、水浸、催化剂/膜降解和电解质变化等，这些因素都会影响到 CO2RR 的性能。因此，在 MEA 单元中，催化剂表面上很稳定，但系统稳定性却很差，反之亦然。此外，将稳定性等同于实验寿命的报告方法已被广泛使用，这种方法不利于将不稳定性作为重要的信息来源。

即使在描述稳定性时，常见的情况是一种物质的产量稳定，而其他产品的 FE 在同一时期内发生变化。例如，在铜上的 CO2RR 实验中，通常会报告乙烯的产量在考察期内是稳定的。与此同时，在同一实验过程中，电池电压可能会稳步上升，或者一氧化碳（乙烯的前体）的 FE 可能会稳步下降。因此，我们无法从定性或定量的角度宣布这些系统中的任何一个是 “不稳定 ”或 “稳定 ”的，但我们可以从半定量的角度指出，一个单一的可测量量在考察期内的变化极小。考虑到这些复杂性，CO2RR 正处于一个技术阶段，无论是在学术上还是在工业上，都需要更长的测试时间。因此，需要有通用的术语和协议来有效量化 CO2RR 的稳定性，重点是 MEA 系统。只有这样，才能对所报告的稳定性进行有意义的比较，从而进一步推动该技术的发展。

本文阐述了目前 CO2RR 领域对稳定性的定义是如何存在缺陷的，并认为描述伪稳态运行是一种更通用的方法。为了支持这一观点，作者提供了瞬态和伪稳态运行的定义和时间范围，并将通常报告的降解机制归为这两类之一。最后提出了一套测试和报告指南，以实现标准化。