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Nature 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ΔG_OCCOH*和ΔG_OCCOH* - ΔG_CHO*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