Advanced Sustainable Systems:增强CO₂气相电还原为CO的催化活性和选择性——碳基载体的选择方法

自20世纪中期以来,由于二氧化碳(CO2)等各种气体造成的温室效应,全球气温持续上升。反向水-气变换反应是去除CO2和生产一氧化碳(CO)的方法之一。然而,该反应是吸热反应,需要400℃以上的反应温度。因此,可在室温下进行的电化学二氧化碳还原反应(CO2RR)表现出巨大的吸引力,可将CO2转化为有用的化学品,如CO、甲烷、乙烯、乙醛和酒精等。在这些反应产物中,CO是化学工业中一种重要的反应原料,例如用混合气生产烷烃的费托合成工艺(Fischer–Tropsch process)。此前,电化学二氧化碳还原法是在溶解了二氧化碳的液体电解质上进行的。然而,二氧化碳在水溶液中的低溶解度导致了传质量问题,限制了其最大电流密度低于30 mA cm-2,而电流密度是决定CO2RR技术经济可行性的一个重要因素。近日,有研究者提出使用气体扩散层(GDL)和阴离子交换膜(AEM)的气态二氧化碳膜电极组件(MEA)电解器来克服二氧化碳还原的电流密度限制。各种金属催化剂在MEA电解器中表现出数百mA cm-2的二氧化碳还原电流密度。为了减少贵金属的负载、提高催化性能和寿命,研究者在电催化工艺中引入了载体。其中,碳材料具有优良的导电性和大的比表面积,可以防止纳米粒子团聚,因而引起了研究者的兴趣。

针对这一领域,高丽大学Won Suk Jung和韩国科学技术院Hyung-Suk Oh等研究了不同种类碳材料的特性对CO2RR电化学性能的影响,对未来碳基载体的选择提供了指导,展望了CO2RR大规模应用的方向。

在本工作中,作者选取了具有不同形态、结晶度和比表面积的碳黑(CB)、碳纳米纤维(CNF)和碳纳米笼(CNC)材料来研究其特性对CO2RR电化学性能的影响。首先,通过Ag纳米颗粒和碳载体材料混合制备了Ag/C电极,并在MEA CO2RR电解器中进行了性能测试。结果表明,Ag/CNC电极表现出最佳的电化学性能,电流密度≈400 mA cm-2。之后,作者通过各种表征方法揭示了CO2RR性能与碳基载体性质之间的关系。SEM和Micro-CT分析显示,Ag/CNC拥有最均匀分散的Ag纳米颗粒形态;WCA和XPS结果表明,Ag/CNF由于其丰富的sp2碳环、大电极厚度和小孔径所导致的碳酸盐积累在反应后表现出亲水性,而Ag/CNC表现出较高的疏水性,可以防止表面水覆盖阻碍CO2的传质。此外,CNC含有少量的碳缺陷,使其具有低析氢反应(HER)催化活性,进一步改善了高电流区域的法拉第效率(FECO)。Ag/CNC在三电池电堆中的FECO大于90%,揭示了碳基载体在电化学生产CO方面的可扩展性。在文末,作者指出在选择碳基载体以实现工业水平的CO2RR时,不仅要考虑碳的形态、Ag纳米颗粒的分散均匀程度和电极的疏水性,还要考虑影响HER的因素。

Enhancement of Catalytic Activity and Selectivity for the Gaseous Electroreduction of CO2 to CO: Guidelines for the Selection of Carbon Supports

Chulwan Lim, Woong Hee Lee, Jong Ho Won, Young-Jin Ko, Sangkuk Kim, Byoung Koun Min, Kwan-Young Lee, Won Suk Jung*, Hyung-Suk Oh*

Advanced Sustainable Systems

DOI: 10.1002/adsu.202100216

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.202100216

原创署名:潘奕辰