在堿性體系中進(jìn)行電催化CO2還原反應(yīng)（CO2RR），有利于抑制氫析出競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。然而，CO2與OH?反應(yīng)的碳酸化過程，會(huì)帶來(lái)兩個(gè)嚴(yán)重問題：其一，當(dāng)采用溶液電解質(zhì)時(shí)，該過程會(huì)導(dǎo)致陰極氣體擴(kuò)散電極出現(xiàn)“鹽析”現(xiàn)象，阻礙CO2傳質(zhì)；其二，反應(yīng)產(chǎn)生的CO32?或HCO3?會(huì)通過電遷移到達(dá)陽(yáng)極、并再次轉(zhuǎn)化成為CO2，與陽(yáng)極氧析出反應(yīng)（OER）產(chǎn)生的O2一起排放，造成大量的跨膜碳損失。在實(shí)際應(yīng)用中，CO2捕集與分離不僅能耗巨大，而且成本高昂。所以，要提高堿性CO2電解轉(zhuǎn)化的整體經(jīng)濟(jì)性，就必須解決跨膜碳損失這一難題。 近日，武漢大學(xué) 莊林/王功偉 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種氧化還原介導(dǎo)耦合CO2電解策略。通過引入一對(duì)氧化/還原高度可逆的電對(duì)，將陰極CO2RR和陽(yáng)極OER分離到兩個(gè)膜電解器中進(jìn)行。如此不僅能夠確保陰極處于電極/堿性聚合物電解質(zhì)（純水）催化界面，從而具有高CO2RR選擇性、同時(shí)避免電極“鹽析”失活；并且能夠有效回收跨膜傳輸?shù)腃O2氣體，避免碳損失。
研究中選用了蒽醌-2,7-二磺酸（AQDS）作為氧化/還原媒介，主要基于如下原因：一是AQDS 具備優(yōu)異的電化學(xué)可逆性和較高的溶解度；二是其氧化/還原電勢(shì)處于 CO2RR 和 OER 之間；三是AQDS分子尺寸大，不會(huì)跨膜擴(kuò)散，可以避免對(duì)CO2RR 和 OER造成干擾。 基于此，利用AQDS構(gòu)筑氧化/還原介導(dǎo)耦合CO2電解系統(tǒng)，采用在線氣相色譜分析陰極CO2RR選擇性、在線質(zhì)譜監(jiān)測(cè)跨膜CO2氣體排出情況。在100 ~ 200 mA/cm2電流密度下，陰極CO2RR制備CO的法拉第效率穩(wěn)定在90%左右，與CO2-純水膜電解器的性能相近。通過定量測(cè)定陽(yáng)極CO2氣體排出流速，確定了不同條件下堿性膜中傳導(dǎo)的離子種類。另外，在100 mA/cm2連續(xù)運(yùn)行時(shí)，耦合電解系統(tǒng)的CO選擇性和電解槽壓保持穩(wěn)定。質(zhì)譜監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，跨膜CO2的離子電流信號(hào)先逐漸增長(zhǎng)、然后趨于穩(wěn)定，同時(shí)H2和O2的離子電流信號(hào)基本不變，這表明AQDS能夠有效避免副反應(yīng)發(fā)生。最終，通過氣球回收得到一定體積的CO2氣體。 研究結(jié)果驗(yàn)證了氧化還原介導(dǎo)耦合CO2電解的可行性，將跨膜CO2排放與陽(yáng)極O2析出過程從空間上進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)高純度CO2的回收、避免碳損失，有望推進(jìn)堿性CO2電解的實(shí)際應(yīng)用。 論文信息 Redox-Mediated CO2 Electrolysis for Recovering Transmembrane Carbon Loss Xinhui Yu, Liwei Xue, Yiheng Liao, Li Xiao, Gongwei Wang,Lin Zhuang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202502420
