汪淏田教授，最新Nature Catalysis！

第一作者：Jung Yoon’Timothy’Kim, Peng Zhu

通讯作者：汪淏田

通讯单位：莱斯大学

DOI:10.1038/s41929-022-00763-w

主要内容

研究表明，电化学CO₂还原技术（CO₂RR）的实际应用受到在阳极侧CO₂交叉的巨大挑战，其中在传统CO₂电解槽中的界面形成碳酸盐，导致了CO₂与O₂的交叉混合。然而，只有少数已知的研究能够提出工业上和经济上可行的解决方案来解决碳酸盐交叉问题。使用强酸性电解质，由于来自析氢反应（HER）的强烈竞争或低稳定性，它们的应用受到低CO₂RR选择性的限制。其中，Sargent等人最近证明了催化剂-PEM界面处的浓缩钾离子可以大大提高PEM中的 CO₂RR性能并减少CO₂交叉。

在此，莱斯大学汪淏田教授等人报告了一种多孔固体电解质（PSE）反应器，实现了在CO₂RR电解过程中交叉CO₂的高效回收。通过在阴极和阳极之间引入磺化聚合物电解质缓冲层，交叉CO₃^2-可以与质子（来自阳极OER）结合再次形成CO₂气体，同时通过用去离子（DI）水连续冲洗PSE层，可以很容易地重新捕获CO₂气体。

更加重要的一点是，使用银纳米线（NW）催化剂作为模型研究，能够始终以超高纯度形式（超过99%的气体纯度）回收超过90%的交叉CO₂气体，同时保持了良好的CO₂RR催化性能，其超过90%的CO选择性和200 mA cm^-2的高电流密度的。此外，本文还证明了这种用于交叉CO₂回收的PSE反应器设计可以成功地扩展到不同的CO₂RR催化剂和产品。将这些回收的CO₂再循环回输入流中，能够在100 mA cm^-2电流密度下获得超过90%的高连续CO₂转化效率。相关论文以“Recovering carbon losses in CO₂ electrolysis using a solid electrolyte reactor”为题发表在Nature Catalysis。

研究背景

将CO₂电化学转化回基本化学原料，是一种缓解气候变化且储存和使用这种可再生电力的有前景的方法。在过去的几十年里，CO₂还原反应（CO₂RR）在针对高效率和选择性的产品方面取得了巨大的努力和明显的进展。

在这些努力中，催化材料设计和反应器工程一直是该领域的两个主要领域。虽然已经开发了多种催化剂以提高CO₂RR对C1、C2甚至C3产物的内在选择性和活性，但CO₂电解槽的发展，特别是在流动电解池和膜电极组件（MEA）反应器中使用气体扩散层（GDL）电极，在推动催化性能达到工业相关指标方面发挥着核心作用。以MEA电池中的CO₂还原为CO为例，电流密度和CO选择性现在可以达到数 mA cm^-2并且在几种选择性催化剂（例如Ag 纳米颗粒（NPs），过渡金属单原子催化剂（SACs）等）上的法拉第效率（FE）超过90%，为未来可能的工业化奠定了坚实的基础。

图1. CO₂RR MEA装置示意图，显示了来自阴极的CO₂通过与OH^-和H⁺的反应穿过阴离子交换膜进入阳极

尽管CO₂RR性能方面的这些进展很有前景，但存在一个基本但经常被忽视的挑战，可能会极大地限制CO₂RR技术的商业化潜力：碳酸盐交叉导致的大量碳损失（图1）。在CO₂RR电解过程中，特别是在大电流密度下，阴极-电解质界面会产生大量氢氧根离子（OH^-），它们与CO₂流快速反应形成碳酸根或碳酸氢根离子（CO₃^2-），这些CO₃^2-离子在电场的驱动下，穿过阴极-阳极界面（水溶液或阴离子交换膜）向反应器的阳极侧迁移，并与氧析出反应（OER）中局部产生的质子（H⁺）重新结合再次形成CO₂气体（图1）。

不幸的是，这些交叉的CO₂气体分子不能直接用于CO₂RR，因为它们与阳极O₂混合在一起，从而导致明显的碳损失，最终抑制CO₂RR技术的整体能源效率。当使用强碱性溶液时，由于CO₂流和电解质之间的连续化学反应，碳损失问题更加严重。

图文详情

图2. 传统CO₂ MEA电解槽中大量碳的损失

图3. 交叉CO₂回收的PSE反应器设计及其气体分析系统

图4. Ag NW固态电解质反应器中的交叉CO₂回收表征

图5. 使用PSE反应器回收交叉CO₂的广泛适用性

图6. 连续CO₂气体回收的去离子水循环和稳定性测试

图7. 通过回收交叉CO₂提高CO₂转化率

这项工作表明，传统电解槽的 CO₂使用效率较差，使得该过程不可持续。然而，添加多孔和离子传导固态电解质缓冲层证明能够有效地恢复这些碳损失，以确保高CO₂使用效率。改种策略避免了使用额外的气体分离设备或所需的能量来分离交叉CO₂与杂质，特别是氧气。

未来的研究可以进一步改进PSE反应器中的每个组件，使其在CO₂RR电解过程中更适用于实际的CO₂回收，包括优化固态电解质层的厚度以最小化欧姆降，和通过设计不同的固态离子导体改善阴极和阳极之间的离子传导。

Jung Yoon 'Timothy’ Kim, P., Chen, FY. et al. Recovering carbon losses in CO2 electrolysis using a solid electrolyte reactor. Nat Catal (2022). https:///10.1038/s41929-022-00763-w