现代工学院钟苗课题组:分层电极结构设计实现酸性稳定高效

发布者:沈允育发布时间:2023-05-11浏览次数:827


利用清洁电能电化学还原二氧化碳为解决温室气体CO2排放和高附加值化学品和燃料生产提供了一个有前途的策略。其中,酸性介质中的CO2R由于没有碳酸盐的损耗,能极大地提高CO2利用率引起了人们的广泛关注。然而,在强酸性电解质(pH≤1)中,析氢反应(HER)CO2还原(CO2R)反应竞争,降低了CO2R的法拉第效率和能量效率。另外催化剂在强酸中的腐蚀导致CO2R性能的迅速恶化。

近日,南京大学现代工程与应用科学学院钟苗课题组通过改进电极结构,在CO2R电催化剂表面涂覆一层不导电的纳米多孔SiC-NafionTM层来调控离子传输,使催化剂/涂层界面局部K+富集,显著抑制析氢反应,提升CO2的反应活性和选择性;同时在反应过程中催化剂表面的pH值接近中性,以保护SiC-NafionTM包覆下的催化剂免受强酸腐蚀,提高了催化剂的稳定性(图1)。

1.a)有和没有表面SiC-NafionTM涂层的中性、碱性和酸性电解质中CO2R的示意图;(bSiC-Nafion™/SnBi/PTFE的截面SEM图像;(c)表面pH值与SiC-Nafion™层厚度的关系;(dCOMSOL模拟不同厚度SiC-Nafion涂层从催化剂表面到电解质体相的pH分布。


将这种表面涂层策略应用于三种不同的催化剂,分别用于CO2R生成甲酸、CO和C2+。以CO2R到HCOOH为例,作者利用SiC-NafionTM/SnBi/PTFE催化剂,在pH值为1的电解液中,在100 mA cm−2的电流密度下,甲酸法拉第效率(FE)为90%,单次碳转化效率(SPCE)为76%,能够稳定持续运行125小时。通过在Ag,Cu电催化剂上涂覆SiC-Nafion™涂层,能够在几十小时的CO2R反应后仍能保持Ag、Cu催化剂的形貌和性能,而未涂覆SiC-Nafion™涂层的催化剂表面则发生了明显的腐蚀。通过实验证实了SiC-Nafion™表面涂层是一种独特而普适地能够有效防止催化剂重构的策略,并能够显著提高CO2R在强酸环境中高选择性生产甲酸盐、CO和乙烯的稳定性。此外,作者还在不同的器件中均实现了优异的电还原CO2制甲酸的性能:使用分层导电SiC-NafionTM/SnBi/Cu/PTFE电极,在阴极电解液层的MEA电解槽中实现了100 mA cm−2下近90%的甲酸法拉第效率,连续运行60小时以上。

2.pH=1的电解液中,SiC-Nafion™/SnBi/PTFE电极的CO2R性能。(ab)流动池;(cd含超薄阴极电解液层的MEA电解槽。


综上所述,本研究阐明了构建分级电极结构是稳定调控催化剂表面pH值和局部K+富集的有效手段,使电催化剂在酸性环境中能稳定高效电还原CO2并具有普适性。

该成果以“Achieving High Single-Pass Carbon Conversion Efficiencies in Durable CO2 Electroreduction in Strong Acids via Electrode Structure Engineering”为题在线发表在Angew. Chem. Int. Ed.上(DOI:10.1002/anie.202300226),入选“Hot paper和frontispiece”。南京大学现代工程与应用科学学院2020级博士生李乐为论文第一作者,现代工程与应用科学学院钟苗为论文通讯作者。研究得到了国家重点研发计划项目,国家自然科学基金项目,江苏省自然科学基金项目,南京大学前沿科学中心的支持。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202300226