通訊單位：華東師范大學(xué)/中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 論文DOI：10.1002/anie.202012066 二氧化碳（CO2）電化學(xué)轉(zhuǎn)化為有用的燃料化學(xué)品引起了廣泛的關(guān)注。通常，電化學(xué)CO2轉(zhuǎn)化體系包括陰極的CO2還原和陽極的氧氣析出反應(yīng)（OER）。電化學(xué)還原CO2（ECR）過程中，電子從陰極電極表面轉(zhuǎn)移到溶液中的CO2分子或CO2溶劑化離子中。但是，與此相反，將電子提供給ECR的陽極OER動(dòng)力學(xué)過程緩慢，從而導(dǎo)致較大的過電勢和較高的總能量輸入。因此，以熱力學(xué)上有利的反應(yīng)來代替OER，甚至可以在更低的電勢發(fā)生并產(chǎn)生增值化學(xué)品。利用比OER更低能量輸入的升級(jí)陽極反應(yīng)來降低水電解制氫反應(yīng)的能量輸入的策略已經(jīng)取得一定進(jìn)展。該策略也適用于電催化CO2還原反應(yīng)。Sumit Verma等人通過將ECR與有機(jī)小分子的部分氧化偶聯(lián)而設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)的CO2轉(zhuǎn)化電解器，并聲稱當(dāng)使用甘油氧化反應(yīng)代替OER時(shí)，可以節(jié)省多達(dá)53％的電能輸入（Nat. Energy 2019, 4, 466-474）。但是，這項(xiàng)研究僅限于降低陽極電勢，是否有可能將陰極ECR與陽極升級(jí)反應(yīng)結(jié)合在一起，以在電催化系統(tǒng)中同時(shí)生產(chǎn)增值化學(xué)品？特別地，使用合適的電解質(zhì)和活性催化劑，同時(shí)在同一電化學(xué)反應(yīng)器中同時(shí)從陽極和陰極產(chǎn)生相同的產(chǎn)物將是更加具有前景。為此，上海硅酸鹽研究所施劍林院士，華東師范大學(xué)陳立松副教授等人通過耦合陽極CH3OH部分氧化與陰極CO2還原反應(yīng)，在低電壓條件下實(shí)現(xiàn)在同一電化學(xué)反應(yīng)器中同時(shí)從陽極和陰極產(chǎn)生相同的化學(xué)品甲酸。采用耦合陽極CH3OH部分氧化與陰極CO2還原反應(yīng)的策略，在低電壓條件下實(shí)現(xiàn)在同一電化學(xué)反應(yīng)器中同時(shí)從陽極和陰極產(chǎn)生相同的產(chǎn)物甲酸。為解決能源短缺問題提供了新的思路。在氫氧化鈉溶液中，以過硫酸銨為氧化劑一步氧化法制備了生長在泡沫銅表面的氧化銅納米片（CuONS/CF），并在陽極上將甲醇電催化部分氧化為甲酸，法拉第效率可高達(dá)97%。電極材料制備的原料易得，且工藝簡單。在碳纖維布上原位生長介孔二氧化錫(mSnO2/CC)，二氧化錫與基地結(jié)合牢固，比表面積大，具有良好的導(dǎo)電性能和催化活性，將其作為電化學(xué)還原CO2的高效陰極催化劑，同時(shí)也生成了甲酸。并得到高的電流密度和法拉第效率（81.3%）。
▲陰極mSnO2/CC電催化還原CO2的電化學(xué)表征利用在熱力學(xué)上有利的甲醇部分氧化反應(yīng)替代OER可以顯著降低陽極電位。當(dāng)陽極配置CuONS/CF，陰極配置mSnO2/CC時(shí)，所構(gòu)建的電解槽在電流密度達(dá)到10 mA cm-2時(shí)的槽電壓僅需0.93V。并且在陰極和陽極同時(shí)產(chǎn)生相同的產(chǎn)物甲酸。相比陽極電解液不加甲醇，其他催化條件相同時(shí)，陽極配置CuONS/CF，陰極配置mSnO2/CC，槽電壓降低500 mV以上。
▲配置CuONS/CF，陰極配置mSnO2/CC時(shí)，槽電解極化曲線
