Nat.Commun:意外的阳离子交叉影响Cu基零间隙电解槽中的CO2还原选择性

一、【导读】

   近年来，利用二氧化碳作为碳原料将是实现净零碳排放和无化石燃料社会的关键。而以清洁能源为动力，通过电化学方式将二氧化碳还原（CO₂ER）为具有附加值的商业化学品，再通过将可再生能源储存在化合物中，为碳回收提供了一条有前途的途径。CO₂可以被电化学还原成许多产品，包括C1产品（如一氧化碳CO、甲酸HCOO⁻和甲烷）和C2+产品（包括乙烯、丙醇、醋酸酯和乙醇）。因此，CO₂ER的选择性定向到具有足够的生产速率和选择性的特定产品是其工业应用所必需的。目前，有研究发现零间隙阴极和阴离子交换膜（AEMs）的膜电极组件（MEA）以及碱性电解质之间的组合能提高C2+烃化物的产量和效率。不幸的是，对于这类设备发生的电化学过程仍然有许多不了解的地方，特别是关于界面上的动态行为和物质的传输。

二、【成果掠影】

   近日，德国亥姆霍兹柏林能源与材料研究中心Matthew T. Mayer团队等人揭示了阳极电解液浓度会影响阳离子通过膜的运动程度，从而影响铜催化剂在无阴极电解液CO₂电解槽中的行为。文章以“Unintended cation crossover influences CO2 reduction selectivity in Cu-based zero-gap electrolysers”为题发表在Nature Communications上。

三、【核心创新点】

   1、作者报告了对零间隙铜阴极的显著阳离子效应的观察。即在CO2ER路径之间的显著和突然切换，导致CO或多碳（C2+）产物。这样的结果仅受阳极电解液浓度的影响。另外，即使在没有离散液体阴极电解液的电解槽中，阳离子在C-C 偶联的反应途径中也起着关键作用。

   2、原位能谱分析表明，Cu表面形态对阳极电解液浓度有很强的依赖性，在相同的测试条件下，稀释的阳极液会产生Cu⁺和Cu⁰混合的表面形态，而浓缩的阳极液则只产生Cu⁰表面形态。

四、【数据概览】

图1 阳极电解液浓度对CO₂电解选择性的影响。©2023 The Author(s)

图2 连续操作下阳离子效应的可逆性和稳定性。©2023 The Author(s)

图3 阴极形态和结构。©2023 The Author(s)

图4 原位 X 射线吸收光谱。©2023 The Author(s)

图5 表面形态的 XPS 分析。©2023 The Author(s)

五、【成果启示】

   综上所述，本研究揭示了来自阳极电解液中意外的阳离子交叉对零间隙铜阴极电化学CO₂还原性能的主要影响。尽管使用无阴极电解液配置和阴离子交换膜，但发现阳极电解液浓度是影响催化选择性的关键参数。另外，阴极表面形态显示与不同阳离子浓度的变化有关，其中表面氧化态Cu的百分比随着阳离子交叉的增加而降低。这些结果进一步表明，即使在无阴极的电解槽中，阳离子效应（包括无意的阳离子效应）也会显著的影响反应途径，这是未来催化剂和器件开发中需要考虑的重要因素。因此，这项研究的结果将有望进一步优善CO₂还原电催化性能，为实现CO₂还原工业化加快步伐。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37520-x

本文由K . L撰稿。