電化學(xué)還原CO2可以將溫室效應(yīng)氣體CO2轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品和燃料，同時(shí)將可再生能源儲(chǔ)存于方便運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)品中，有效解決間歇性電能不易儲(chǔ)存的問(wèn)題。然而，由于CO2在水體系中的溶解度低，擴(kuò)散緩慢等問(wèn)題，導(dǎo)致電化學(xué)CO2還原過(guò)程中電流密度低?；跉怏w擴(kuò)散電極的膜電極電解池有效的提高了CO2的擴(kuò)散速率和轉(zhuǎn)化效率，得到了更高的電流密度和生產(chǎn)率，有望推動(dòng)電催化CO2轉(zhuǎn)化邁向工業(yè)應(yīng)用。在膜電極電解池中，陰離子交換膜與堿性陽(yáng)極液的使用為電化學(xué)CO2還原提供了良好的化學(xué)環(huán)境，但是此過(guò)程通常伴隨著嚴(yán)重的鹽沉積和CO2損耗現(xiàn)象，使得大量的CO2形成碳酸鹽、碳酸氫鹽等。
雙極膜是一種把陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜貼合起來(lái)的離子交換膜。在一定的電壓下，膜內(nèi)的水會(huì)分解為H+和OH-。研究表明，將雙極膜應(yīng)用于膜電極電解池可以有效的抑制鹽沉積和CO2損耗。然而，雙極膜水解離產(chǎn)生的H+移動(dòng)到陰極形成酸性環(huán)境，不利于CO2的電化學(xué)還原過(guò)程。近日，香港城市大學(xué)的葉汝全教授團(tuán)隊(duì)，通過(guò)設(shè)計(jì)一種全新的帶正電荷聚合物分子催化劑，將帶有正電荷的高分子骨架接枝到分子催化劑上，抑制了H+的傳輸，促進(jìn)了CO2的轉(zhuǎn)化，提高了產(chǎn)物的選擇性。 在雙極膜電極電解池中，該團(tuán)隊(duì)制備的聚合物分子催化劑在電化學(xué)還原CO2的過(guò)程中，在100mA cm-2的電流密度下能夠得到82.6%的CO法拉第效率，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的銀催化劑。并且，與陰離子交換膜電極電解池相比，雙極膜電解池沒(méi)有產(chǎn)生鹽沉積，使得電解池更加穩(wěn)定。 同時(shí)，在陰離子交換膜電極電解池中，CO2的利用效率小于40%。而聚合物分子催化劑在雙極膜電極電解池實(shí)現(xiàn)了高于80%的CO2的利用效率。這表明，在雙極膜系統(tǒng)中，聚合物分子催化劑不僅能實(shí)現(xiàn)較高的CO法拉第效率，也能得到高CO2的利用效率。 在該工作中，葉汝全團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有陽(yáng)離子基團(tuán)的聚合物分子催化劑，并在雙極膜電極電解池中實(shí)現(xiàn)了高效的CO2電還原。由于帶正電的主鏈對(duì)H+的排斥，抑制了陰極析氫反應(yīng)，并促進(jìn)了CO2電化學(xué)還原。同時(shí)，分子催化劑在聚合物側(cè)鏈上的分布使得催化劑活性位點(diǎn)分布均勻，提高了電化學(xué)性能。此外，與陰離子交換膜電極電解池相比，采用聚合物分子催化劑的雙極膜電解池在CO2電解、CO2回收和陽(yáng)極液再生方面的總能耗更低，在減少二氧化碳交叉方面更具有優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)工作為雙極膜電極電解池中催化劑的設(shè)計(jì)，提供了一種新的策略。 論文信息 Backbone Engineering of Polymeric Catalysts for High-Performance CO2 Reduction in Bipolar Membrane Zero-Gap Electrolyzer Geng Li, Dr. Libei Huang, Dr. Chengpeng Wei, Hanchen Shen, Yong Liu, Qiang Zhang, Jianjun Su, Yun Song, Weihua Guo, Xiaohu Cao, Prof. Ben Zhong Tang, Prof. Marc Robert, Prof. Ruquan Ye Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202400414
