酸性co2rr：高单程碳利用率生产多碳产物。 近日，香港中文大学王莹教授和多伦多大学edward h. sargent教授通过界面工程和双金属催化剂优化的策略，在500 ma cm-2的电流密度下实现了高达89%的多碳产物法拉第效率与60%的单程碳利用率。2022年6月9日，相关成果以high carbon utilization in co2 reduction to multi-carbon products in acidic media为题发表在 catalysis上。
电化学co2还原反应（co2rr）利用可再生电能将co2转换为乙烯、乙醇等具有高经济价值的多碳（c2 ）产品，是当下颇具前景的co2利用技术。然而，当前对多碳产物最具选择性与活性的co2rr电解槽通常是在碱性或中性条件下进行，大量co2与溶液中及电极表界面处的氢氧根（oh-）快速反应生成碳酸盐，导致其单程碳利用率极低，严重影响其实际应用价值。因此，如何实现高碳利用率，提高技术可行性，是当下常温电化学co2还原技术面临的重大挑战。在酸性条件下进行co2rr虽有望解决碳酸盐生成的问题，但该条件下的高质子浓度往往导致析氢反应占主导地位，限制了co2rr到多碳产物的活性与选择性。
近日，王莹教授和edward h. sargent教授通过界面工程和双金属催化剂优化的策略，在500 ma cm-2的电流密度下实现了高达89%的多碳产物法拉第效率与60%的单程碳利用率。
由于质子浓度对碳酸盐平衡和co2rr中间体覆盖度具有决定性影响，因此作者首先通过comsol有限元仿真模拟，探究了电流密度及本体溶液ph值对电极界面质子浓度和co2浓度的影响以同时优化反应选择性和碳利用率。在强酸条件下（ph = 0或1），电极界面h 浓度过高不利于多碳产物的生成；而在更高ph（ph = 3或4）及大电流密度条件下，其传质层内co2浓度则过低。因此，基于大电流密度下（> 150 ma cm-2）局部co2浓度与质子浓度的综合考量，ph=2被选择为下一步的实验条件。
此外，由于吸附质-吸附质相互作用，对 co* 具有强结合亲和力的金属会削弱 h* 结合亲和力。因此，为寻求抑制竞争性析氢反应（her）的途径，作者通过dft计算对一系列具有强co*吸附能力的铜基双金属催化剂进行筛选。结果显示pd-cu催化剂上δgoccoh*和δgoccoh* - δgcho*均达到了最低值，表明pd-cu催化剂具有转化co2为多碳产物的最佳活性与选择性。
基于以上探索，作者利用galvanic replacement reaction在cu/ptfe表面引入pd作为电极，构筑了ph=2的酸性co2rr体系。实验发现pd的引入有效抑制了析氢反应并促进了多碳产物的生成，进一步的原位拉曼光谱研究显示pd-cu催化剂对co*的吸附增强从而促进表面c-c键生成。在500 ma cm-2的电流密度下实现了高达89%的多碳产物法拉第效率和60%的单程碳利用率，这为酸性co2rr电解槽发展提供了重要的参考思路。
（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-022-00788-1
作者：王莹等 来源：《自然-催化》
