利用可再生能源驅(qū)動(dòng)的電催化技術(shù)為CO等重要碳資源的催化轉(zhuǎn)化提供了一條新的途徑。CO電解是一種在環(huán)境溫度和壓力下的電催化CO加氫過程，其利用H2O而不是H2作為氫源，并且通過對(duì)CO分子施加負(fù)電位來消除CO2的形成。雖然已經(jīng)報(bào)道了電催化CO加氫產(chǎn)多碳(C2+)產(chǎn)物包括乙烯、乙酸鹽、乙醇和正丙醇的高法拉第效率(FE)，但是由于H型電解池和流動(dòng)池中催化活性不足和大的歐姆電阻，導(dǎo)致低電流密度和能量效率，阻礙了CO電解的實(shí)際應(yīng)用。此外，一小部分CO在一些催化劑上轉(zhuǎn)化為CH4，進(jìn)一步降低了反應(yīng)選擇性。
為解決上述挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院大連化物所汪國雄和高敦峰等使用零間隙堿性膜電極組件(MEA)電解槽，通過在富含晶界(GB)的Cu納米顆粒催化劑(Cu-nc)上實(shí)現(xiàn)了CO電解高效合成C2+產(chǎn)物。結(jié)果表明，CO被選擇性地還原為C2+產(chǎn)物，包括乙烯、乙醇、乙酸鹽和正丙醇，而沒有檢測到CO2和CH4產(chǎn)物。在2.78±0.01 V的低電池電壓下，C2+部分電流密度高達(dá)4.35±0.07 A cm?2，并且CO的轉(zhuǎn)化速率和轉(zhuǎn)化率分別為65.1±2.3 mL min-1和85±3%。此外，在1.0 A cm?2的高電流密度下，該電解槽連續(xù)運(yùn)行150小時(shí)后電池電壓僅增加0.12 V，C2+ FE略有下降，但仍高于83.6%，H2 FE逐漸增加到16.7%，這可能是由于在穩(wěn)定性測試過程中電極緩慢浸潤。理論計(jì)算表明，在GBs上較強(qiáng)的*CO吸附和較低的C-C偶聯(lián)反應(yīng)能提高了C2+的產(chǎn)生和對(duì)乙烯的選擇性。此外，為了驗(yàn)證使用Cu-nc催化劑大規(guī)模電解CO合成C2+化學(xué)品的可行性，組裝了100 cm2 MEA電解槽。C2+ FE在100-300 A時(shí)高于92%，在400 A時(shí)降至86%，在500 A時(shí)降至73%；在施加總電流100 A (1.0 A cm-2)下連續(xù)測試32小時(shí)，電池電壓穩(wěn)定在2.5 V左右，C2+ FE保持在88%以上。本文進(jìn)一步組裝了具有5個(gè)100 cm2 MEA的電解槽堆，C2+ FE在100-200 A時(shí)高于96%，在300 A下降到84%，在400 A時(shí)下降到64% ，最高的C2+和乙烯生成速率分別達(dá)到118.9 mmol min-1和1.2 L min-1，突出了CO電解作為電化學(xué)合成C2+化學(xué)品的實(shí)用途徑的巨大前景。CO electrolysis to multicarbon products over grain boundary-rich Cu nanoparticles in membrane electrode assembly electrolyzers. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49095-2
