一、【導讀】

近年來，利用二氧化碳作為碳原料將是實現(xiàn)凈零碳排放和無化石燃料社會的關(guān)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(yè)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(chǎn)品，包括C1產(chǎn)品（如一氧化碳CO、甲酸HCOO^?和甲烷）和C2+產(chǎn)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(chǎn)速率和選擇性的特定產(chǎn)品是其工業(yè)應用所必需的。目前，有研究發(fā)現(xiàn)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(zhì)之間的組合能提高C2+烴化物的產(chǎn)量和效率。不幸的是，對于這類設備發(fā)生的電化學過程仍然有許多不了解的地方，特別是關(guān)于界面上的動態(tài)行為和物質(zhì)的傳輸。

(資料圖片僅供參考)

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(fā)表在Nature Communications上。

三、【核心創(chuàng)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(chǎn)物。這樣的結(jié)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(lián)的反應途徑中也起著關(guān)鍵作用。

2、原位能譜分析表明，Cu表面形態(tài)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(chǎn)生Cu⁺和Cu⁰混合的表面形態(tài)，而濃縮的陽極液則只產(chǎn)生Cu⁰表面形態(tài)。

四、【數(shù)據(jù)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(xù)操作下陽離子效應的可逆性和穩(wěn)定性。?2023 The Author(s)

圖3陰極形態(tài)和結(jié)構(gòu)。?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(tài)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(fā)現(xiàn)陽極電解液濃度是影響催化選擇性的關(guān)鍵參數(shù)。另外，陰極表面形態(tài)顯示與不同陽離子濃度的變化有關(guān)，其中表面氧化態(tài)Cu的百分比隨著陽離子交叉的增加而降低。這些結(jié)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(fā)中需要考慮的重要因素。因此，這項研究的結(jié)果將有望進一步優(yōu)善CO₂還原電催化性能，為實現(xiàn)CO₂還原工業(yè)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。 投稿郵箱 tougao@cailiaoren.com 投稿以及內(nèi)容合作可加微信 cailiaorenVIP