最新 Nature Reviews Materials：CO2RR电解槽的气体扩散电极和膜的最新进展

【背景介绍】

二氧化碳还原反应（CO₂RR）电解槽可以使用可再生电能产生碳中和的化学物质和燃料，但是要在商业规模上应用这项技术，还需要进一步的改进。商用CO₂RR电解槽需要在低电池电位（E_cell<3 V）下长时间以高生成速率（电流密度J> 200 mA cm^-2）生产高选择性（法拉第效率FE> 80%）的产品。此外，CO₂RR电解槽还必须有效利用CO₂原料，以将上游CO₂捕获成本降至最低。目前没有符合所有这些标准的CO₂RR电解槽。研究发现，CO₂RR电解槽必须设计为连续向阳极和阴极输送反应物，以便有效控制几个不同因素。例如，进入电解槽的高CO₂摩尔流量有利于更高的CO₂RR产品形成速率，但会降低实际转化为产品的效率。性能最高的CO₂RR电解槽使用聚合物电解质膜（PEM）分离的气体扩散电极（GDEs）共同控制这些过程。GDEs是支持电催化剂的多孔电极，而PEM是在电极之间传导离子的聚合物材料。GDEs和PEM广泛应用于其他电化学技术，包括燃料电池和水电解槽。

【成果简介】

近日，加拿大英属哥伦比亚大学Curtis P. Berlinguette（通讯作者）等人报道了一篇关于CO₂RR电解槽的气体扩散电极（GDEs）和膜的最新进展的综述。本文中，作者详细介绍了阴极GDEs和PEM的特性如何影响CO₂RR电解槽中的化学环境，以及该环境如何影响电解槽的性能。研究成果以题为“Gas diffusion electrodes and membranes for CO₂ reduction electrolysers”发布在国际著名期刊Nature Reviews Materials上。

【图文解读】

图一、GDEs和膜控制质量传输和反应，以调节电解槽中的CO₂RR
（a）低和高CO₂流速、局部pH值和水浓度对CO₂RR相关关键过程有害影响的定性表示的示意图；

（b）CO₂RR电解槽示意图，由流动板和夹在阳极、聚合物电解质膜（PEM）和阴极GDE之间的外壳板组成。

图二、CO₂RR化学与电解槽结构

图三、GDEs的特性调节电催化剂周围的化学环境
（a）包含微孔层、碳纤维层和催化剂层的GDEs的示意图；

（b）较薄的催化剂层会增加催化剂处的CO₂浓度；

（c）离聚物增强了催化剂层中的CO₂扩散；

（d）GDEs减少CO₂和OH^-之间的相互作用，在碱性条件下实现CO₂RR电解。

（e）聚四氟乙烯（PTFE）减轻溢流；

（f）碳酸盐形成与阴极溢流相关。

图四、PEM的特性影响阴极化学和CO₂RR电解槽的效率
（a）聚合物电解质膜（PEM）的示意图，显示了离子的传导、水的传输以及碳产物和碳酸盐的交叉；

（b）更薄和更高的吸水率PEM会降低流向阴极的水通量；

（c）在很宽的电流密度范围内，碳酸盐是阴离子交换膜中的主要电荷载体；

（d）PEM电导率会影响渗透选择性。

（e）双极膜（BPM）比阴离子交换膜（AEM）更有效地抑制产品交叉。

图五、用于CO₂RR电解的PEMs类型

图六、零间隙膜CO₂RR电解槽中的CO₂交叉

【小结】

综上所述，CO₂RR电解槽使用PEMs和GDEs来控制系统内CO₂、水和质子的传输。这些材料的设计必须适当调节这些传输过程，以实现高CO₂RR性能，并且防止常见的CO₂RR电解槽故障机制。作者概述了质子交换膜和GDEs的关键特性，可以利用它们来促进有利于CO₂RR的化学环境。总之，这些设计原则为开发适用于电解槽中高效CO₂RR的新材料提供了机会。

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

本文由CQR编译。

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