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高效CO₂电催化，孙予罕/魏伟/陈为最新Nat Commun

邃瞳科学云

2022-06-04

导读：本文报告了一种分级微/纳米结构Ag中空纤维电极，该电极用于CO2还原为CO的反应，法拉第效率为93%，电流密度为1.26 A·cm-2，电位为-0.83 V vs. RHE。

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第一作者：Shoujie Li

通讯作者：陈为，魏伟，孙予罕

通讯单位：中国科学院上海高等研究院

DOI：10.1038/s41467-022-30733-6

全文速览

如果能够将CO₂以一种可持续的方式高效转化为可用的化学品，将对实现全球的碳中和目标具有重要意义，虽然目前在CO₂利用方面取得了相当大的进展，但在温和条件下以高空速实现CO₂的高效转化仍然是一个挑战。本文报告了一种分级微/纳米结构Ag中空纤维电极，该电极用于CO₂还原为CO的反应，法拉第效率为93%，电流密度为1.26 A·cm^-2，电位为-0.83 V vs. RHE。在环境温度和压力以及高达31000 mL · g_cat^-1 · h^-1下CO₂实现了的超过50%的转化率。电化学结果和时间分辨的操作拉曼光谱表明，增强的三相界面反应和定向传质协同促进了CO的产生。

背景介绍

大规模利用CO₂生产大宗化学品的同时减少碳排放，是实现碳中和的有效途径，CO₂加氢制甲醇或其他化合物等热催化路线具有工业潜力，但存在氢源和反应条件苛刻等困难。近年来，电催化CO₂转化已成为一项引人注目的技术，它得益于将可再生电力转换和CO₂利用的良好结合，然而，由于CO₂在电解质溶液中的溶解度有限和动力学差异，CO₂电还原的效率远远低于热催化CO₂转化过程。结构紧凑的三维中空纤维电极由于其传质性能的改善，在高效、高速的CO₂电还原中显示出良好的潜力，到目前为止，中空纤维电极的电流密度仍然非常有限(≤200 mA ∙ cm⁻²），无法提供经济可行的CO₂电化学转化。

本文报道了一种具有分层微/纳米结构的中空纤维电极，该电极仅由金属银 (Ag) 组成，用于将CO₂电还原为CO。这种充当CO₂分散剂的多孔中空纤维Ag电极不仅可以增强三相界面反应，还可以引导电解过程中的质量转移（图1）。因此，在31000 mL ∙ g_cat^-1∙ h^-1 的高标准空间速度下，CO₂转化率超过50%，对应于环境条件下60 mL ∙ min^-1的流速，在长寿命的连续测试中保持稳定的大电流密度 (~1.26 A∙cm^-2) 和高CO法拉第效率 (~93%)，这代表了可持续利用CO₂，为工业化应用打下良好的基础。

图文解析

图1. 中空纤维银电极功能示意图。用于将CO₂电还原为CO的分级微/纳米结构银中空纤维的示意图。

图2. 结构和成分表征。a,制备的Ag HF管的光学图像; b,c,d,e,相应的横截面和外表面的SEM图像; f,活化Ag HF的气体渗透率,GPU表示气体渗透单元; Ag-HF和活化Ag-HF的g ,XRD图谱, h,XPS光谱。

图3. 活化Ag HF的性能。a, CO和H₂法拉第效率，以及在-0.35至-0.89 V的电位范围内的总电流密度;b,在-0.83 V的长期性能；c,在不同电流密度下，标准空速为31000 mL · g_cat^-1 · h^-1的CO₂转化率，以及它们与其他电催化和热催化CO₂转化的总体比较。

图4. 电化学表征。a, Δj（阴极和阳极电流密度之差，j_c–j_a）与循环伏安曲线扫描速率的关系图；b, CO部分电流密度比较，以及从六个单独测试的平均值获得的误差线; c, 活化Ag HF、Ag HF、活化Ag箔和Ag箔的EIS Nyquist图,c中的插图显示了等效电路。

图5. CO₂分散效应研究。a,示意图分别显示了CO₂-分散模式和非-CO_2-分散模式在活化Ag HF上的CO₂电还原过程，b,它们的CO分电流密度；c,在不同分散模式下的活化Ag箔和活化Ag HF的Tafel斜率。

图6. 同位素示踪和时间分辨拉曼结果。a,分别使用未标记的原料（上）和同位素标记的 C¹⁸O₂和 D₂O原料（下）对活化的Ag HF上的阴极产物进行质谱检测;b, c,时间分辨的操作拉曼光谱显示了活化Ag HF上中间体的形成、演变和消散过程;d,在通电和断电阶段，活化Ag HF 和活化Ag箔的归一化*COO^-峰值强度的比较。

总结与展望

本文的研究结果表明，采用Ag微/纳米结构中空纤维结构可以大大提高CO₂还原的电催化性能，这为同时提高三相界面反应和传质动力学提供了新的机会。此外，单一成分和坚固的框架以及简单的制造工艺，使得活化的Ag-HF成为具有优异耐久性的理想工业电极。这项工作使得CO₂电还原技术取得了极大的进展，为将来的工业化应用打下良好的基础。