CO2電解技術(shù)(eCO2RR)預(yù)計(jì)將通過(guò)消除過(guò)量的CO2來(lái)幫助實(shí)現(xiàn)全球碳中和目標(biāo)。通過(guò)催化劑設(shè)計(jì)、微環(huán)境調(diào)節(jié)和反應(yīng)器改造，堿性eCO2RR在電流密度、選擇性和能量轉(zhuǎn)換效率方面取得了進(jìn)展。
然而，由于CO2氣體與OH?離子和堿性陽(yáng)離子反應(yīng)產(chǎn)生碳酸鹽/碳酸氫鹽會(huì)覆蓋電極表面，堵塞氣體擴(kuò)散層(GDL)的孔隙，導(dǎo)致CO2電解單程轉(zhuǎn)化效率(SPCE)降低，從而損害了CO2電解系統(tǒng)的耐久性。因此，必須選擇具有適當(dāng)pH值的電解質(zhì)，以獲得CO2 SPCE和產(chǎn)品選擇性之間的最佳平衡，這與電催化劑、電解槽和產(chǎn)品價(jià)值高度相關(guān)。近日，南京理工大學(xué)段靜靜課題組以耐酸的Bi基金屬有機(jī)骨架(Bi-MOFs)為電催化劑和以酸性溶液為電解質(zhì)制備了質(zhì)子交換膜(PEM)型CO2電解槽。具體而言，研究人員根據(jù)電位-pH圖設(shè)計(jì)并制備了一種耐酸性Bi-TDC@DMF MOF催化劑。在流動(dòng)池和酸性介質(zhì)(pH=2)中，Bi-TDC@DMF MOF在50-500 mA cm-2的寬電流密度范圍內(nèi)催化CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH的最大法拉第效率(FE)為95.10%，在400 mA cm-2電流密度下的SPCE高達(dá)64.91%。同時(shí)，所構(gòu)建的PEM型CO2電解槽僅需3.5 V的電池電壓就能達(dá)到250 mA cm-2的工業(yè)級(jí)電流密度，F(xiàn)EHCOOH為93.5%，生產(chǎn)速率為12.11 mmol m-2 s-1，能耗為200.65 kWh kmol-1。此外，當(dāng)利用太陽(yáng)能電池直接驅(qū)動(dòng)該電解槽，STC為15.94%。配位飽和的MOF通常表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和不理想的活性，而配位不飽和的MOF則相反。而在該項(xiàng)工作中，Bi-TDC MOFs則表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和穩(wěn)定性。在此，研究人員提出了“半轉(zhuǎn)化-半活化(SAST)”概念來(lái)解釋飽和配位Bi-TDC@DMF MOF的穩(wěn)定性和活性之間的權(quán)衡關(guān)系。具體而言，催化劑的配位決定了反應(yīng)物活化能力，中間體轉(zhuǎn)化效率影響整個(gè)反應(yīng)。這將反應(yīng)分為反應(yīng)物活化段和產(chǎn)物形成段，CO2的有效活化基本上不匹配中間體的靶向轉(zhuǎn)化以形成最終產(chǎn)物?；赟abatier原理，這個(gè)SAST概念在吸附質(zhì)的適度結(jié)合和中間轉(zhuǎn)化的能壘之間建立了可能的關(guān)系，從而規(guī)避穩(wěn)定性和活性之間的平衡，并且這個(gè)概念也可能適用于其他電催化反應(yīng)。An acid-tolerant metal-organic framework for industrial CO2 electrolysis using a proton exchange membrane. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-51475-7
