以水為質(zhì)子源，電還原一氧化碳（CO）合成化學(xué)品原料（如乙烯，C2H4）具有經(jīng)濟(jì)性且環(huán)境友好，具備大規(guī)模應(yīng)用潛力。然而，高反應(yīng)電位和低法拉第效率限制了其能量效率。南京大學(xué)鐘苗教授課題組在電還原CO制C2H4方面取得進(jìn)展。課題組通過構(gòu)建定量電化學(xué)反應(yīng)-傳輸模型，發(fā)現(xiàn)低體積交換電流密度和有限的中間體表面反應(yīng)是限制CO 轉(zhuǎn)化為多碳產(chǎn)物（C2+）和C2H4能量效率和法拉第效率的關(guān)鍵因素。 課題組設(shè)計(jì)了一種高活性位點(diǎn)密度的納米網(wǎng)絡(luò)電極結(jié)構(gòu)，通過將NafionTM包裹的Cu+–Cu納米片催化劑緊密排列，實(shí)現(xiàn)高體積活性位點(diǎn)密度（S* = 11000 cm2/cm3），顯著提升了電催化體積交換電流密度（i0S*），從而增加CO電還原活性，降低了高電流密度下過電位。納米片催化劑之間的納米級(jí)間距（30–300 nm）促進(jìn)了烯酮中間體在催化劑表面“吸附-脫附-再吸附”機(jī)制，同時(shí)抑制了烯酮與堿性電解液反應(yīng)生成副產(chǎn)物乙酸鹽，提高了C2H4選擇性和能量效率。使用7 M KOH/3 M KF/0.1 M K2CO3電解液提高了K?離子濃度，增強(qiáng)了電催化劑表面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，同時(shí)通過碳酸根離子表面配位穩(wěn)定了催化劑表面活性物種。在25 cm2膜電極和4 A電流下，實(shí)現(xiàn)了全電池COR電位降低至1.87 V，C2+能量效率>50%、法拉第效率90±1%，C2H4能量效率>41%、法拉第效率 71±1%，穩(wěn)定運(yùn)行超150小時(shí)。
研究還發(fā)現(xiàn)了能量效率指示符（（i0S*/ρlq）?1/2）和乙烯/乙酸選擇性描述符（1?exp（?b/S*）），兩種描述符解釋本項(xiàng)工作及已報(bào)道文獻(xiàn)中電還原CO的能量效率與乙烯、乙酸選擇性關(guān)系。 基于該設(shè)計(jì)思路，課題組進(jìn)一步制備了高體積活性鉍基和銀基電極，在CO2電還原制甲酸鹽和CO反應(yīng)中，能量效率分別超過60%與55%，展現(xiàn)出本研究提出的能量效率提升方法在跨催化體系中的應(yīng)用潛力。未來，課題組將持續(xù)提升電催化劑活性和選擇性，實(shí)現(xiàn)膜電極中的高效穩(wěn)定運(yùn)行。 論文信息 Energy Efficiency Limit in CO-to-Ethylene Electroreduction and the Method to Advance Toward Jin Zhang, Haoyang Jiang, Xiaotong Zhao, Zhaoyang Liu, Le Li, Weiping Ding, Miao Zhong Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202502690
