ChemSusChem：助力CO2电还原制甲酸：析氢抑制型Cu-Sn合金中空纤维膜电极研究

华南理工大学黄洪教授团队与佛山科学技术学院刘德飞团队合作在ChemSusChem期刊报道了一种能高效还原CO2制甲酸的Cu-Sn合金中空纤维膜电极。该膜电极的三维多孔结构能有效促进CO2还原的传质过程，并抑制析氢副反应，实现对甲酸产物的高选择性。文中对Cu-Sn合金中空纤维膜的析氢反应抑制机理（图1）、电还原反应动力学等问题进行了探讨。

图1 Cu-Sn合金中空纤维膜电极对析氢副反应的抑制机理

铜基材料是被广泛认可的能将二氧化碳电还原为有高附加值碳氢化合物（如：甲酸、甲烷、乙烯等）的电催化剂，但铜基电催化剂对目标产物的选择性偏低、析氢副反应严重等问题依旧存在。多项研究工作表明，构建Cu-Sn合金催化剂能有效提高对甲酸的选择性。此外，还有报道表明中空纤维膜电极具有三维多孔结构，有助于降低CO2还原反应的过电位，并提高其对CO2的转化效率。

基于上述背景，研究者采用一步成型策略制备Cu-Sn合金中空纤维膜电极。通过调控中空纤维膜的合金比例以及烧结条件，研究出金属比例为Cu-Sn45%的中空纤维膜电极既具有对甲酸高选择性的优势晶相，又保留了规整的孔道结构（图2a）。研究结果发现，在电催化反应过程中，往中空纤维膜电极内部通CO2，可较好地引入传质过程。因此，Cu-Sn45%中空纤维膜电极可在-0.75 V vs. RHE的低过电位条件下，获得90.96%的甲酸转化选择性，其中更把H2副产物的选择性抑制至4%（图2b）。

图2 Cu-Sn45%合金中空纤维膜电极a）SEM图; b) CO2电还原性能.

通过CO2注气方式的对照实验，研究者深入分析了Cu-Sn合金中空纤维膜内通气的反应动力学优势。证明了往膜电极内注气一方面能提高催化剂表面的CO2浓度，促进CO2转化为甲酸；另一方面能减少电解液与中空纤维膜电极孔道表面的接触，从而实现抑制析氢反应的目的。

本研究工作为铜基催化剂在水系二氧化碳电催化还原领域解决析氢竞争性副反应的问题研究提供一种新思路。

论文信息：

Formate‐Selective CO2 Electrochemical Reduction with a Hydrogen‐Reduction‐Suppressing Bronze Alloy Hollow‐Fiber Electrode 

Dr. Biyu Chen，Dr. Jiajie Xu，Jiantao Zou，Dr. Defei Liu，Dr. Yue Situ，Prof. Dr. Hong Huang

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DOI: 10.1002/cssc.202002314

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