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科研進展

2021年06月03日
中國科大構筑抑制電解液“溢流”的二氧化碳電解池陰極

當前,“碳達峰”和“碳中和”已被確立為我國國家戰略目標并寫入政府工作報告。由可再生電力驅動的二氧化碳還原反應(CO2RR)為CO2減排和轉化提供了誘人前景。經過近四十余年的發展,CO2RR在催化劑設計、電解池設計、機理研究等方面取得了長足的進步。然而CO2在傳統的H-型電解池中溶解度低,易遭受傳質限制,無法實現工業規模電解。近年來,由氣體擴散電極(GDE)構建的流動電解池快速發展,其能有效克服CO2傳輸限制,大大提升產物生成速率,有很強的工業化前景。然而,在大電流電解過程中,GDE的疏水層不斷退化,引發陰極電解液“溢流”(即flooding issue)和碳酸鹽結晶析出,致使GDL中的CO2傳輸孔道被逐漸堵塞,產物選擇性和生成速率也會隨之大幅降低。因此電解液“溢流”嚴重損害了液流電池高速率CO2電解的穩定性,從而制約了其規?;瘧?。目前,針對該問題,研究人員采用涂覆疏水性材料等手段來緩解電解液溢流,延長GDE使用壽命,但收效一般。

近日,中國科學技術大學的高敏銳教授研究組受狗尾草表面超疏水納米結構啟發,利用電化學沉積法在氣體擴散層(GDL)上生長分層級高曲率銅結構。所制備電極具有優異的疏水性和親氣性,能夠在催化過程中有效地捕獲CO2氣體并富集堿金屬陽離子,構建穩定的氣-固-液三相界面,抑制大電流密度下的電解液溢流,實現長時間內的大電流催化穩定性。相關成果近日以“Hierarchical Copper with Inherent Hydrophobicity Mitigates Electrode Flooding for High-Rate CO2Electroreduction to Multicarbon Products”為題發表在《美國化學會會志》上(J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 21, 8011–8021)。論文的共同第一作者為中國科大博士研究生牛壯壯、高飛躍和張曉隆。

模擬發現,當高曲率銅的針尖半角為7°,傾斜角為0°時,其拉普拉斯壓最大,疏水性最強(圖1a, b)?;诖?,該研究組采用電沉積方法,通過調控沉積時間獲得針尖結構的銅電極。接觸角測試證實該高曲率銅電極表面接觸角為154o,屬于超疏水范疇。相比之下,低曲率的銅顆粒電極表面接觸角僅為154o,呈現親水特性(圖1c-f)。CO2氣體的黏附實驗進一步說明了研制的分層級高曲率銅電極在水下能快速地捕獲、吸附和傳輸CO2氣泡,表現出良好的嗜氣性(圖1g, h)。

圖1. 多層級高曲率銅電極設計及其疏水嗜氣特性。

長時間CO2電解測試發現分層級高曲率銅電極具有優異的催化穩定性(圖2):在未間斷的連續電解過程中,其在120 mA cm-2總電流密度下,乙烯的法拉第效率在近140 h內保持在40%上下;在300 mA cm-2總電流密度下,多碳產物的法拉第效率在45 h內保持65%左右,穩定性超過以往文獻的報導值。與之形成鮮明對比的是,顆粒銅電極的催化活性在300 mA cm-2下快速衰減,而副產物H2的法拉第效率隨之大幅上升。研究人員發現,分層級高曲率銅電極出色的CO2電解穩定性來源于其內稟的疏水性,因此可以有效避免電解液的過度接觸,緩解“溢流”問題。該工作并被選為Supplementary Cover論文(圖3)

圖2. 多層級高曲率銅電極長時間大電流CO2電解下的穩定性能。

圖3. 該工作被選為Supplementary Cover論文。

該工作發展了一種仿生疏水結構的分等級高曲率銅電極,能有效防止電解液過度接觸造成的“溢流”現象。此外,大量的針尖結構也能進一步增強界面電場,富集陽離子,起到穩定反應中間體和促進碳-碳偶聯的作用。這項工作為流動電解池中高效穩定的氣體擴散電極設計提供了新思路。

相關研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、安徽省重點研究與開發計劃等項目的資助。

論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c01190

論文鏈接:https://pubs.acs.org/toc/jacsat/143/21


(合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部)

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