Nat.Commun:意外的陽離子交叉影響Cu基零間隙電解槽中的CO2還原選擇性

一、【導讀】

? ?近年來，利用二氧化碳作為碳原料將是實現凈零碳排放和無化石燃料社會的關鍵。而以清潔能源為動力，通過電化學方式將二氧化碳還原（CO₂ER）為具有附加值的商業化學品，再通過將可再生能源儲存在化合物中，為碳回收提供了一條有前途的途徑。CO₂可以被電化學還原成許多產品，包括C1產品（如一氧化碳CO、甲酸HCOO^?和甲烷）和C2+產品（包括乙烯、丙醇、醋酸酯和乙醇）。因此，CO₂ER的選擇性定向到具有足夠的生產速率和選擇性的特定產品是其工業應用所必需的。目前，有研究發現零間隙陰極和陰離子交換膜（AEMs）的膜電極組件（MEA）以及堿性電解質之間的組合能提高C2+烴化物的產量和效率。不幸的是，對于這類設備發生的電化學過程仍然有許多不了解的地方，特別是關于界面上的動態行為和物質的傳輸。

二、【成果掠影】

? ?近日，德國亥姆霍茲柏林能源與材料研究中心Matthew T. Mayer團隊等人揭示了陽極電解液濃度會影響陽離子通過膜的運動程度，從而影響銅催化劑在無陰極電解液CO₂電解槽中的行為。文章以“Unintended cation crossover influences CO2 reduction selectivity in Cu-based zero-gap electrolysers”為題發表在Nature Communications上。

三、【核心創新點】

? ?1、作者報告了對零間隙銅陰極的顯著陽離子效應的觀察。即在CO2ER路徑之間的顯著和突然切換，導致CO或多碳（C2+）產物。這樣的結果僅受陽極電解液濃度的影響。另外，即使在沒有離散液體陰極電解液的電解槽中，陽離子在C-C 偶聯的反應途徑中也起著關鍵作用。

? ?2、原位能譜分析表明，Cu表面形態對陽極電解液濃度有很強的依賴性，在相同的測試條件下，稀釋的陽極液會產生Cu⁺和Cu⁰混合的表面形態，而濃縮的陽極液則只產生Cu⁰表面形態。

四、【數據概覽】

圖1 陽極電解液濃度對CO₂電解選擇性的影響。?2023 The Author(s)

圖2 連續操作下陽離子效應的可逆性和穩定性。?2023 The Author(s)

圖3 陰極形態和結構。?2023 The Author(s)

圖4 原位 X 射線吸收光譜。?2023 The Author(s)

圖5 表面形態的 XPS 分析。?2023 The Author(s)

五、【成果啟示】

? ?綜上所述，本研究揭示了來自陽極電解液中意外的陽離子交叉對零間隙銅陰極電化學CO₂還原性能的主要影響。盡管使用無陰極電解液配置和陰離子交換膜，但發現陽極電解液濃度是影響催化選擇性的關鍵參數。另外，陰極表面形態顯示與不同陽離子濃度的變化有關，其中表面氧化態Cu的百分比隨著陽離子交叉的增加而降低。這些結果進一步表明，即使在無陰極的電解槽中，陽離子效應（包括無意的陽離子效應）也會顯著的影響反應途徑，這是未來催化劑和器件開發中需要考慮的重要因素。因此，這項研究的結果將有望進一步優善CO₂還原電催化性能，為實現CO₂還原工業化加快步伐。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37520-x

本文由K . L撰稿。