Nature Chemistry：實時可視化CO2RR！

一、【科學背景】

為了緩解化石燃料過度消耗導致的碳循環失衡和人為造成的全球變暖問題，需要利用可再生能源從捕獲的CO₂中生產燃料和工業原料。其中，CO₂電還原（CO₂RR）能夠高效清潔地獲得各種碳氫化合物，被認為是一種有潛力的方案。研究者們大多將目光聚集在開發更高效的金屬電催化劑，或者生產具有較高的能量密度和工業生產經濟價值的多碳產物。在電催化CO₂RR中，電解槽是反應的主要場所，而商用電解槽需要在電流密度大于100 mA cm^-2、法拉第效率（FE）大于80%、電池電位低于3 V的條件下運行數年。目前尚無電解槽能滿足所有性能指標，主要是因為在電解槽中發生的許多均相反應和非均相反應難以協調管理，因此跟蹤電解槽內發生的反應對于CO₂RR非常重要。目前已經設計了含有光學透明組件的電解槽，以便能夠可視化流體流動和鹽的形成，并采用多種技術手段來解析CO₂電解槽中的反應物和產物。然而，這些技術存在解析深度不夠或無法實時監測等缺陷，無法解析運行中電解槽的多個反應機制。

二、【創新成果】

基于以上難題，加拿大不列顛哥倫比亞大學Curtis P. Berlinguette教授團隊的科研人員在Nature Chemistry發表了題為“Visualization of CO₂ electrolysis using optical coherence tomography”的論文，該研究報告一種電解光學相干斷層成像平臺（eOCT），用于觀察CO₂電解槽中發生的化學反應。該平臺能夠在空間和時間上，以高分辨率（1-3 μm）、高幀率（32 fps）實時可視化CO₂RR過程，并捕捉到電解過程中陰極和膜組件的顯著的動態過程，填補了實驗工具的空白。此外，eOCT平臺利用偏振近紅外光，通過光束分割器導入室溫下運行的電解槽，實現了對電解器內部反應的高時間（<1 μs）和空間（~1 μm）分辨率的可視化。以上結果表明這種表征技術能夠用于研究流動相電化學反應體系的反應情況。

圖1 ?用于實時三維成像CO₂電解過程的eOCT平臺示意圖 ? 2024 Springer Nature

eOCT的高分辨率通過圖像中的納米纖維結構與同一組件的SEM圖像相匹配得到了驗證。這些結果確認能夠區分固體、液體和氣體。

圖2 ?電解槽組件的高分辨率eOCT和SEM圖像 ? 2024 Springer Nature

電解前（t = 0 分鐘）沿電解槽X-Z平面記錄的強度和極化圖像均顯示了流動板、電解質、陰極和膜的邊緣。電解過程中在膜和陰極層之間觀察到了CO₂，而CO則在與膜相對的陰極表面形成。

圖3 ?eOCT顯示的CO₂電解器中離散的CO₂和CO氣泡生成的極化和強度圖像 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，本研究利用eOCT平臺展示了運行中的CO₂電解槽的時空可視化。這一分析工具揭示了運行中的電解槽中氣體和液體反應物的化學和傳輸的動態變化，并闡明了電解槽中發生CO₂RR和競爭反應的位置。電解槽的可視化還有助于明晰電解過程中的CO₂RR機制，并闡明功率調節如何調節氣體和固體顆粒的形成，以促進CO₂轉化為產品。該平臺提供的多相反應定量、三維和實時鏡頭有可能提供一個反饋和控制系統，以提高CO₂RR電解槽的性能。以上研究表明，eOCT平臺與統計分析的結合將有效確定CO₂轉化為其他含碳產品的活性位點。此外，eOCT平臺監測和量化動態物理和機械過程的能力可用于研究各種多相現象。

原文詳情：Visualization of CO₂ electrolysis using optical coherence tomography (Nat. Chem. 2024, DOI: 10.1038/s41557-024-01465-5)

本文由大兵哥供稿。