在酸性条件下二氧化碳电催化界面微环境调控研究获新进展

　　近日，华东理工大学化工学院李春忠教授和江宏亮特聘研究员在酸性条件下二氧化碳电催化界面微环境调控研究中取得新进展。相关成果以“调控镍-氮-碳催化剂的工作微环境，在酸性介质中获得近百分百的二氧化碳电还原制一氧化碳”为题，发表于《先进材料》。

　　CO₂电催化反应通常发生在碱性/中性流动池中，会有严重的碳酸盐形成。此外，流动池中长时间的电解还会出现催化层“水淹”现象，两者会造成催化系统的不稳定性。而在酸性电解液中电解CO₂能够实现高的CO₂利用率，减轻碳酸盐沉积的影响。但是，该系统的效率和稳定性有待于进一步改善，需要对电催化剂及其工作环境进行调控。

　　该工作通过在气体扩散电极催化层中引入疏水的聚四氟乙烯(PTFE)来调控电催化界面微环境，适度的PTFE改性可以优化催化层中局部的CO₂/H₂O比例，有效地抑制了酸性条件下析氢反应(HER)的发生。同时，降低了扩散层厚度，形成高活性且高稳定的气-液-固三相界面微环境。

　　图为气-液-固三相界面亲疏水性对气体传质的调控机制

　　针对CO₂气体参与的电催化还原过程，该工作创新性地采用了PTFE对催化层的亲疏水性进行调控，通过电化学阻抗分析，阐明了二氧化碳和水的整体扩散层厚度与催化层中聚四氟乙烯含量的定量匹配关系，计算出优化的聚四氟乙烯含量(约60%质量分数)，并和实验测出的电催化性能趋势高度一致。同时，研究了催化层的抗水淹能力，发现加入合适量的聚四氟乙烯(大于30%质量分数)，在工业级电流密度以及长期(大于500小时)电催化过程中，保持良好的抗水淹效果，从而保持催化层中稳定的气-液-固三相界面。该工作发展的界面微环境调控策略可以推广到其他涉及气-液-固三相界面的电化学反应，如氮气还原、氧气还原以及其他气态有机分子在水溶液中的电还原过程。

　　以上相关工作的第一作者为华东理工大学硕士研究生盛学第，通讯作者为李春忠教授和江宏亮特聘研究员。此外，该研究工作得到了国家自然科学基金委重大研究计划集成项目和重点项目、上海市科委基础重大项目、上海高校特聘教授(东方学者)等经费支持。