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對(duì)氣-固-液三相界面浸潤(rùn)性進(jìn)行連續(xù)調(diào)控，證明Cassie-Wenzel共存態(tài)最有利于電催化CO2還原反應(yīng)的進(jìn)行。通過(guò)自主研發(fā)的原位電化學(xué)熒光光譜表征技術(shù)，首次觀測(cè)到CO2分子在催化界面處的實(shí)時(shí)濃度變化，實(shí)驗(yàn)證明了三相催化體系能夠有效穩(wěn)定CO2分子的界面濃度，進(jìn)而在大電流密度下能夠保持較高的催化選擇性。

背景介紹

電催化CO2還原技術(shù)是解決能源與環(huán)境問(wèn)題，構(gòu)筑人工碳循環(huán)的理想技術(shù)途徑之一，是催化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前對(duì)于電催化CO2還原反應(yīng)的研究種類(lèi)繁多，其中涉及到各種類(lèi)型的催化反應(yīng)體系，如H型體系、氣體擴(kuò)散電極體系等等，但對(duì)其中涉及的基本科學(xué)問(wèn)題，即CO2分子的界面擴(kuò)散傳質(zhì)問(wèn)題的理解并非十分清楚。

研究出發(fā)點(diǎn)

本文從CO2分子的界面擴(kuò)散傳質(zhì)這一基本科學(xué)問(wèn)題出發(fā)，系統(tǒng)研究了三相界面浸潤(rùn)性以及催化界面結(jié)構(gòu)對(duì)于CO2分子在界面處的質(zhì)量轉(zhuǎn)移速率及界面分壓的影響，進(jìn)而揭示大電流密度下電催化CO2還原過(guò)程的速控反應(yīng)機(jī)制。

圖文解析

基于氣體擴(kuò)散電極的三相電催化CO2還原體系，能夠大幅促進(jìn)CO2分子與催化劑的接觸，從而在理論上具有更高的催化反應(yīng)速率。本文將Au/C納米顆粒負(fù)載到由碳纖維構(gòu)成的氣體擴(kuò)散層（GDL）表面，構(gòu)筑了一種典型的三相電催化反應(yīng)體系。

通過(guò)對(duì)Au/C催化劑層進(jìn)行改姓處理，實(shí)現(xiàn)了三相界面浸潤(rùn)性的連續(xù)調(diào)控，由超疏水的Cassie態(tài)（左）逐步調(diào)變?yōu)槌H水的Wenzel態(tài)（右）。通過(guò)一系列電催化性能測(cè)試，證明了一般疏水的Cassie-Wenzel共存態(tài)催化活性最高，推測(cè)是由于該狀態(tài)下最有利于催化劑與CO2分子及電解液的接觸。

為了探究CO2分子在催化反應(yīng)界面處的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程，本文基于對(duì)CO2分子具有特異性熒光響應(yīng)的探針?lè)肿樱?/span>HPTS），在國(guó)際上首創(chuàng)了原位電化學(xué)熒光光譜表征技術(shù)。通過(guò)該技術(shù)，可以在電催化反應(yīng)過(guò)程中實(shí)時(shí)地檢測(cè)CO2分子的界面濃度。

本文設(shè)計(jì)了三種電催化體系，分別是敞開(kāi)的三相體系（Exposed TPC）、液下三相體系（Immersed TPC）以及H型兩相體系（DPC），對(duì)比了它們?cè)陔姶呋^(guò)程中的CO2界面濃度變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，敞開(kāi)的三相體系在電流密度達(dá)到100 mA cm-2時(shí)，依然保持了80%的CO2界面濃度，而電解停止后的CO2界面濃度恢復(fù)速率也遠(yuǎn)高于其它兩種體系。經(jīng)過(guò)計(jì)算，三相體系的CO2界面質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)是兩相體系的13倍，電解時(shí)的CO2界面濃度是兩相的35倍。由此可以推斷，經(jīng)過(guò)浸潤(rùn)性?xún)?yōu)化后的三相催化體系能夠有效穩(wěn)定CO2分子的界面濃度，是保證其在大電流密度下具有較高催化選擇性的關(guān)鍵因素。

總結(jié)與展望

本文基于典型的氣-固-液三相電催化反應(yīng)體系，證明了Cassie-Wenzel共存態(tài)是最有利于電催化CO2還原反應(yīng)進(jìn)行的浸潤(rùn)狀態(tài)，并結(jié)合自主研發(fā)的原位電化學(xué)熒光光譜表征技術(shù)，觀測(cè)到了CO2分子在催化界面處的實(shí)時(shí)濃度變化，在實(shí)驗(yàn)上首次證明了三相催化體系能夠有效穩(wěn)定CO2分子的界面濃度。通過(guò)對(duì)CO2分子的界面擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行定量分析，揭示了三相體系在大電流密度下能夠保持較高催化選擇性的關(guān)鍵因素。

——本文轉(zhuǎn)載自研之成理。