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来源：研之成理收集编辑：李合肥等
https://doi.org/10.1039/D2EE03482D可再生电力驱动的CO2电解反应能够将CO2转化为有价值的燃料和化学品，具有很好的实际应用前景。当前CO2电解走向实际应用所面临的一个关键挑战是碱性和中性条件下碳损失严重，导致CO2利用率较低。使用酸性电解质可以有效抑制CO2损失，目前酸性CO2电解研究大多在H型或流动型电解池中进行。如何抑制酸性CO2电解过程中竞争性析氢反应以及如何提升全电池能量效率是该领域研究的难点。使用零间隙膜电极(MEA)电解器能有效提高电流密度和能量效率，然而MEA电解器的结构特点使得阴极催化剂表面附近微环境（如关键反应物种H+、OH−、K+、CO2、HCO3−和H2O等的局部浓度）非常复杂。近日，中科院大连化物所包信和院士、汪国雄研究员和高敦峰研究员团队在酸性CO2电解研究中取得重要进展，相关研究成果以“Tailoring acidic microenvironments for carbon-efficient CO2 electrolysis over Ni-N-C catalyst in a membrane electrode assembly electrolyzer”为题发表在Energy & Environmental Science期刊上。该工作以Ni-N-C为模型催化剂，研究了在酸性膜电解器中通过优化阳极电解质组成和CO2压力来调控催化剂微环境(局部H+/K+和CO2浓度)，实现了工业级电流密度下高能量效率和高碳利用效率的酸性CO2电解制CO，并组装了酸性/碱性串联CO2电解系统，为高碳利用效率的CO2-CO-C2+串联电解提供了示范。要点一：通过反应条件调控微环境，提升酸性CO2电解制CO性能。通过改变阳极电解质组成(pH、K+浓度)和CO2压力，调控Ni-N-C催化剂微环境中H+/K+和CO2的局部浓度。pH越低，CO2损失量越小；而提高K+浓度和CO2压力则有利于CO生成。在最优反应条件(pH 0.5, 1 M K+, 0.5 MPa)下，总电流密度500 mA cm-2时CO法拉第效率达到95%，对应CO生成速率达到13.1 mL min-1。进一步降低CO2流量至14.7 mL min−1，600 mA cm−2时CO2单程利用效率最高达到85%。综合考虑法拉第效率、电流密度、CO2流速和单程利用效率等指标，该项研究报道的酸性CO2电解性能显著优于文献报道。▲图1 不同pH条件下CO法拉第效率(a)和全电池能量效率(b)。(c) pH 0.5时CO2分布。(d) 300mA cm−2时CO2损失量。▲图2 K+浓度(a-c)和CO2压力(d-f)对CO法拉第效率、全电池能量效率和CO2损失量的影响。(g)酸性CO2电解性能比较。(h)最优反应条件下Ni-N-C催化剂在500 mA cm−2时的稳定性。利用密度泛函理论计算模拟了Ni-N-C催化剂上Ni-N活性位点附近的微环境对CO2RR及HER副反应的影响。结果表明，Ni-N位点微环境中H+和K+通过电场效应稳定了*CO2中间物种，从而促进CO生成。▲图3 (a)Ni-N-C催化剂在不同微环境下(H2O，H3O+，K+)的原子模型图。(b)*CO2和*H的吸附能。(c,d) HER和CO2RR生成CO的自由能图。要点三：碱性和酸性CO2电解制CO比较。与碱性CO2电解相比，酸性CO2电解在高电流密度下仍然具有较高的CO法拉第效率和能量效率，且CO2损失显著下降，300 mA cm-2时CO2损失量降低了86%。▲图4 (a,b)碱性和酸性MEA电解器工作原理示意图。(c-e)碱性和酸性电解的CO法拉第效率、能量效率和CO2量比较。采用不同电极面积的两种电解器以匹配CO生成速率和消耗速率。通过串联酸性和碱性MEA电解器，进行CO2-CO-C2+串联电解，实现了CO2高利用效率地转化为C2+产物。▲图5 (a)酸性/碱性串联CO2电解示意图；串联电解条件下的(b,c)酸性CO2电解性能和(d,e)碱性CO电解性能。该项研究通过调控Ni-N-C催化剂微环境在酸性MEA电解器中实现了高能量效率和高碳利用率的CO2电解，为CO2电解的实际应用提供了重要参考。1987年获复旦大学理学博士学位；1989-1995年获洪堡基金资助在德国马普协会弗里茨哈伯研究所进行合作研究。1995年获国家杰出青年基金资助。2000-2007年任中国科学院大连化学物理研究所所长；2009-2014年任中国科学院沈阳分院院长；2015-2017任复旦大学常务副校长；2017年6月起任中国科学技术大学校长。2009年当选为中国科学院院士；2011年当选为发展中国家科学院院士；2016年当选为英国皇家化学会荣誉会士。获得2020年度国家自然科学奖一等奖。长期从事新型催化材料的创制和能源清洁高效转化过程的研发，在催化基础理论的发展和新型催化剂开发应用等方面取得了重要研究成果。中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师。2000和2006年分别在武汉大学和中国科学院大连化学物理研究所获得理学学士和博士学位。2007-2010年在日本北海道大学催化科学研究中心从事博士后研究。2017年任碳基资源电催化转化研究组组长。2021年获得国家自然科学基金杰出青年基金资助。在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊上发表论文120余篇。主要从事二氧化碳电解制燃料和化学品研究，包括催化剂设计与制备、电化学原位动态表征、电解器件与技术等。中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师。2009和2015年分别在中国石油大学（华东）和中国科学院大连化学物理研究所获得理学学士和博士学位。2015-2019年先后在德国波鸿鲁尔大学和马普学会弗里茨哈伯研究所从事博士后研究。入选国家级青年人才项目、张大煜青年学者等。主要从事电催化反应及催化材料研究，相关成果以通讯/第一作者发表在Nat. Catal., Nat. Nanotechnol., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci.等期刊上。承担中组部、基金委、科技部、中科院等重要科研项目。中国科学院大连化学物理研究所在读博士生。2017年毕业于华中师范大学，同年保送到大连化物所硕博连读，师从包信和院士、汪国雄研究员。博士课题为CO2/CO电催化还原制C2+燃料和化学品研究。相关成果以第一作者发表在Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Curr. Opin. Green Sustain. Chem.等期刊上。阿德莱德大学化学工程与先进材料学院特聘研究员、博士生导师。2012和2017年分别在南开大学化学学院和中国科学院大连化学物理研究所获得理学学士和博士学位。2018-2021年获德国洪堡基金资助，在慕尼黑工业大学、德国马普协会Fritz-Haber研究所进行合作研究。在Science, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊上发表论文40余篇，被引用6600余次。主要从事理论催化研究，方向包括能源催化转化的从头计算模拟、人工智能辅助催化剂设计等。https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/EE/D2EE03482D更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。