CO2的過量排放會(huì)引起溫室效應(yīng)等環(huán)境問題，電催化還原CO2制備高附加值化學(xué)品不僅可以解決CO2排放引起的環(huán)境問題，還可以將可再生電能存儲(chǔ)到易于輸運(yùn)的化學(xué)品中，解決間歇性電能不易儲(chǔ)存的問題。當(dāng)前，電催化CO2還原比較便捷的裝置是H型電解池，但該裝置需要將CO2直接通入電解液中，CO2低的溶解度導(dǎo)致較低的電催化活性，同時(shí)，陰極和陽極間的電解液會(huì)產(chǎn)生歐姆電勢(shì)降，進(jìn)而降低整個(gè)反應(yīng)體系的能量效率，這些因素都不利于提高電催化CO2還原的經(jīng)濟(jì)效益。雖然流動(dòng)相電解池可以直接將CO2通過氣體擴(kuò)散層導(dǎo)入到催化劑界面，有效避免CO2溶解度較低的問題，提高電催化CO2還原的電流密度，但該反應(yīng)裝置中陰極和陽極間仍存在流動(dòng)電解液，電解液的歐姆電勢(shì)降依然不利于能量效率的提升。膜電極電解池是目前可以高效、低能耗電催化轉(zhuǎn)化CO2的有效途徑，氣體CO2直接導(dǎo)入陰極催化劑界面，陰極和陽極間只有一層離子交換膜，陽極電解液在外循環(huán)流動(dòng)。因此，膜電極技術(shù)的發(fā)展將有望推動(dòng)電催化CO2轉(zhuǎn)化邁向工業(yè)應(yīng)用。
近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所鄧德會(huì)研究員和武漢紡織大學(xué)張政博士等人發(fā)表了膜電極電催化CO2還原的綜述論文，對(duì)膜電極電催化CO2還原的工作原理和應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。首先討論了膜電極電解池中各組件的特點(diǎn)和工作方式，包括陰極氣體擴(kuò)散電極、離子交換膜、陽極氧氣析出的替代反應(yīng)等；接著分析了膜電極各部件的電壓降及其相應(yīng)的測量方法，為電催化CO2還原的能耗解析提供了參考；在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了膜電極電催化還原CO2制備各種產(chǎn)物如一氧化碳、甲酸、甲醇、甲烷和C2+等產(chǎn)物的應(yīng)用，闡述了不同種類催化劑對(duì)還原產(chǎn)物選擇性和活性的影響規(guī)律，以期為針對(duì)特定產(chǎn)物合理設(shè)計(jì)催化劑提供參考；最后，文章對(duì)膜電極電催化CO2還原的前景和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望，文章指出目前研究主要利用工作面積較小的膜電極電解池，當(dāng)在實(shí)際應(yīng)用中將工作電極放大以及組裝成電堆后，更加復(fù)雜的氣體擴(kuò)散及水管理等問題將成為膜電極研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。另外，如何利用原位表征技術(shù)揭示膜電極電催化CO2還原的反應(yīng)機(jī)理也是當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)，這些都需要進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究。 論文信息 Membrane Electrode Assembly for Electrocatalytic CO2 Reduction: Principle and Application Zheng Zhang*, Xin Huang, Zhou Chen, Junjiang Zhu, Balázs Endr?di, Csaba Janáky, Dehui Deng* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202302789
