在安培級電流密度下選擇性地將二氧化碳轉(zhuǎn)化為多碳(CO2-C2+)產(chǎn)品是一種有效和可持續(xù)的碳廢物升級和循環(huán)戰(zhàn)略。在如此高的電流密度下，要獲得良好的CO2-C2+轉(zhuǎn)化性能，必須有高效的CO2轉(zhuǎn)移，以補償其快速消耗，并使電極表面的CO2濃度保持恒定和較高。
到目前為止，已經(jīng)開發(fā)了多種策略來通過增加氣態(tài)CO2的輸送或者通過在電極表面捕獲CO2來實現(xiàn)局部CO2濃度的提高。但是，氣體傳輸路徑僅限于顆粒間空隙，三相反應(yīng)界面通常局限于被疏水性添加劑包圍的催化劑附近。此外，由于缺乏形貌控制、缺陷和氧化態(tài)調(diào)控等催化劑設(shè)計策略，在電極修飾過程中活性中心容易被掩埋或被忽略。近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所李翠玲課題組采用濕化學(xué)法制備了疏水性多孔氧化亞銅球(p-Cu2O)，通過改變造孔劑的直徑可以產(chǎn)生孔徑范圍為140、240和340 nm的多孔p-Cu2O，而不影響其粒徑，使其成為研究電化學(xué)CO2轉(zhuǎn)化為C2+過程中孔徑效應(yīng)的理想平臺。疏水通道不僅有利于CO2的快速傳輸，而且可以捕獲壓縮的CO2氣泡，形成豐富而穩(wěn)定的三相界面，這對于高電流密度的電催化是至關(guān)重要的。性能測試結(jié)果顯示，由于具有最佳的氣體傳輸和活性位點暴露，具有240 nm孔徑的疏水性多孔p-Cu2O-240表現(xiàn)出最佳的CO2-C2+性能，C2+的法拉第效率和生產(chǎn)速率分別為75.3±3.1%和2518.2±8.1 μmol h-1 cm-2。原位光譜表征和理論計算表明，p-Cu2O的凹面上產(chǎn)生的原子臺階位點作為活化CO2分子的活性位點，降低了通過OC-COH途徑進(jìn)行C-C偶聯(lián)反應(yīng)的能壘，從而加速*CO和*COH之間的二聚化動力學(xué)以形成*OCCOH，并最終促進(jìn)電化學(xué)CO2轉(zhuǎn)化為C2+。綜上，該項研究突出了疏水通道在調(diào)控氣體傳輸和局部濃度方面的重要性，為設(shè)計在高電流密度下實現(xiàn)CO2的選擇性轉(zhuǎn)化催化劑提供了有效指導(dǎo)。Revolutionizing CO2 electrolysis: fluent gas transportation within hydrophobic porous Cu2O. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c00082
