最新 Nature Reviews Materials：CO2RR電解槽的氣體擴散電極和膜的最新進展

【背景介紹】

二氧化碳還原反應（CO₂RR）電解槽可以使用可再生電能產生碳中和的化學物質和燃料，但是要在商業規模上應用這項技術，還需要進一步的改進。商用CO₂RR電解槽需要在低電池電位（E_cell<3 V）下長時間以高生成速率（電流密度J> 200 mA cm^-2）生產高選擇性（法拉第效率FE> 80%）的產品。此外，CO₂RR電解槽還必須有效利用CO₂原料，以將上游CO₂捕獲成本降至最低。目前沒有符合所有這些標準的CO₂RR電解槽。研究發現，CO₂RR電解槽必須設計為連續向陽極和陰極輸送反應物，以便有效控制幾個不同因素。例如，進入電解槽的高CO₂摩爾流量有利于更高的CO₂RR產品形成速率，但會降低實際轉化為產品的效率。性能最高的CO₂RR電解槽使用聚合物電解質膜（PEM）分離的氣體擴散電極（GDEs）共同控制這些過程。GDEs是支持電催化劑的多孔電極，而PEM是在電極之間傳導離子的聚合物材料。GDEs和PEM廣泛應用于其他電化學技術，包括燃料電池和水電解槽。

【成果簡介】

近日，加拿大英屬哥倫比亞大學Curtis P. Berlinguette（通訊作者）等人報道了一篇關于CO₂RR電解槽的氣體擴散電極（GDEs）和膜的最新進展的綜述。本文中，作者詳細介紹了陰極GDEs和PEM的特性如何影響CO₂RR電解槽中的化學環境，以及該環境如何影響電解槽的性能。研究成果以題為“Gas diffusion electrodes and membranes for CO₂ reduction electrolysers”發布在國際著名期刊Nature Reviews Materials上。

【圖文解讀】

圖一、GDEs和膜控制質量傳輸和反應，以調節電解槽中的CO₂RR
（a）低和高CO₂流速、局部pH值和水濃度對CO₂RR相關關鍵過程有害影響的定性表示的示意圖；

（b）CO₂RR電解槽示意圖，由流動板和夾在陽極、聚合物電解質膜（PEM）和陰極GDE之間的外殼板組成。

圖二、CO₂RR化學與電解槽結構

圖三、GDEs的特性調節電催化劑周圍的化學環境
（a）包含微孔層、碳纖維層和催化劑層的GDEs的示意圖；

（b）較薄的催化劑層會增加催化劑處的CO₂濃度；

（c）離聚物增強了催化劑層中的CO₂擴散；

（d）GDEs減少CO₂和OH^-之間的相互作用，在堿性條件下實現CO₂RR電解。

（e）聚四氟乙烯（PTFE）減輕溢流；

（f）碳酸鹽形成與陰極溢流相關。

圖四、PEM的特性影響陰極化學和CO₂RR電解槽的效率
（a）聚合物電解質膜（PEM）的示意圖，顯示了離子的傳導、水的傳輸以及碳產物和碳酸鹽的交叉；

（b）更薄和更高的吸水率PEM會降低流向陰極的水通量；

（c）在很寬的電流密度范圍內，碳酸鹽是陰離子交換膜中的主要電荷載體；

（d）PEM電導率會影響滲透選擇性。

（e）雙極膜（BPM）比陰離子交換膜（AEM）更有效地抑制產品交叉。

圖五、用于CO₂RR電解的PEMs類型

圖六、零間隙膜CO₂RR電解槽中的CO₂交叉

【小結】

綜上所述，CO₂RR電解槽使用PEMs和GDEs來控制系統內CO₂、水和質子的傳輸。這些材料的設計必須適當調節這些傳輸過程，以實現高CO₂RR性能，并且防止常見的CO₂RR電解槽故障機制。作者概述了質子交換膜和GDEs的關鍵特性，可以利用它們來促進有利于CO₂RR的化學環境。總之，這些設計原則為開發適用于電解槽中高效CO₂RR的新材料提供了機會。

文獻鏈接：Gas diffusion electrodes and membranes for CO₂ reduction electrolysers. Nature Reviews Materials, 2021, DOI: 10.1038/s41578-021-00356-2.

本文由CQR編譯。

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