杨培东团队详述碱性条件下电催化CO₂还原解决方案

2021-04-14 16:28

上海

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

电催化CO2还原能够实现碳中和，可转化得到高附加值的液体燃料，因而倍受研究者关注。目前CO2催化转化的主要科学问题集中于电解池设计、电解质选择及电化学参数确定等方面。其中针对CO2电催化剂发展的主要挑战是：如何在低能耗条件下实现特定产物的高选择性和高产率。近日，加州大学伯克利分校的杨培东教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Joule上发表了一篇题为“Address the ‘alkalinity problem’ in CO2 electrolysis with catalyst design and translation”的综述，主要总结并讨论了反应器以及电解质（强碱条件）对催化剂活化转化CO2的影响。

图1. 三种不同的电解池：A, H型；B, GDE型；C, MEA型。

催化反应器对催化剂表面微化学环境存在较大影响，作者简述了目前电催化体系中常用的三种电解池构型（图1），包括H型双室电解池（A），气体扩散电极流动池（B），以及膜电极（C）。就结构而言，H型电解池是将阴极部分完全浸没在电解液中，通过施加还原电位实现CO2催化转化；GDE将阴极的一侧暴露于进料气体，实现液相和气相在催化剂层内共存，这种结构不仅能够较好解决二氧化碳的传质问题，而且允许在高碱性电解液中进行实验并获得了工业级电流密度；而MEA则利用了流动电池的GDE配置，同时通过催化剂层与离子交换膜的直接接触来极大减少电解质的使用，这种结构可以降低整个体系的电阻，提高催化体系稳定性。

表1. 高浓度碱的利弊

此外，作者也总结了强碱电解质溶液（≥ 1M KOH）对催化体系的影响。阴极还原反应产生局域OH-，会导致催化剂表面pH值远高于本体溶液，因此抑制了析氢产生；乙烯或乙醇等多碳产物通常表现出较小的局域pH依赖性，且速控步（RDS）是C-C偶联反应，因此强碱性条件能极大增加多碳产物的生成；此外，在高浓度碱条件下，OH-不仅影响催化剂表面的电荷，也能够通过与表面中间体的亲核反应，调节催化途径。然而，高浓度碱的主要劣势为：OH-和CO2之间不可避免地发生反应，导致碳酸盐/重碳酸盐的形成和电解质的不可逆酸化；并且，由此产生的碳酸盐会增加整个体系的电阻，堵塞气体扩散通道。

图2. 催化剂设计策略：A, 催化剂表面纳米结构化与局域pH的关系；B, 分子添加剂与催化剂表面及CO2相互作用；C, 不同催化剂设计策略与阴极能量效率的关系。

基于高浓度碱液的优劣势，作者提出可以通过合理设计催化剂结构，调控催化剂表面局域碱浓度来解决CO2电催化还原体系中的“碱问题”。第一种设计策略是催化剂表面结构纳米化，A图显示通过催化剂的纳米化，提高了表面粗糙度，有利于增加其局域碱浓度；第二个手段则是通过分子添加剂与催化剂相互作用，调节表面局域微环境（B图），比如分子添加剂影响催化剂表面的Bader电荷及分子间相互作用等。

就电化学参数而言，作者简述了适用于商业化CO2全电池的电催化剂所需要的评测指标，比如稳定性、能量效率、CO2转化率以及对应的CO2转化产物等。

综上，作者深入研究了高碱浓度体系中电催化CO2反应器的设计以及对催化剂表面微环境的调控；并针对催化剂表面“碱问题”，提出了两种有效解决策略。文末，作者指出，将H型或流动池中的CO2还原催化剂转化为适用于MEA电解结构的催化剂，是实现工业化的重要一步。继续深入理解中性电解质中催化剂微环境并进行有效调控，设计高效催化电解装置，将为碱性条件下进行CO2可持续还原，提供有效解决方案。

作者简介

杨培东

美国科学院院士

杨培东，纳米材料学家，美国艺术与科学院院士、美国国家科学院院士，加州大学伯克利分校化学系S.K.和Angela Chan杰出能源教授和化学教授，上海科技大学物质学院创始人Founder。

1993年获得中国科技大学应用化学学士学位；1997年获得哈佛大学化学博士学位；1999年进入美国加州大学伯克利分校化学系任教，先后担任助理教授、副教授、终身教授；2001年至2004年连续获得美国阿尔弗雷德·斯隆奖；2003年被美国“技术评论”杂志列入世界100位顶尖青年发明家；2004年获得美国材料学会青年科学家大奖，是第一位获得该奖的中国人；2007年获得美国国家科学基金会沃特曼奖；2011年入选汤森路透集团遴选的最优秀的100名化学家榜单中第十位，同时入选了10年中最优秀的100名材料科学家中第一位；2012年4月当选美国艺术与科学院院士。2015年9月获得美国麦克阿瑟天才奖。2016年5月当选美国国家科学院院士。

主要研究内容为一维半导体纳米结构及其在纳米光学和能量转化中的应用，包括人工光合作用、纳米线电池、纳米线光子学、纳米线基太阳电池、纳米线热电学、碳纳米管纳米流体、低维纳米结构组装、新兴材料和纳米结构合成和操控。

Chubai Chen

博士

Chubai Chen于2017年加入美国加州大学伯克利分校化学系，师从杨培东教授。此前，他在中国科学技术大学获得材料化学学士学位。目前主要研究方向为小分子电化学转化及其机理研究。

Yifan Li

博士

Yifan Li在2014年从普林斯顿大学获得化学学士学位后，于2019年在杨培东教授的指导下从加州大学伯克利分校获得化学博士学位。他的研究兴趣集中在发现和表征用于能量储存、产生和转换的纳米结构材料。