​Sargent组第13篇Science,这一领域是真火!

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第一作者:Jianan Erick Huang
通讯作者:李逢旺, David Sinton, Edward H. Sargent
通讯单位:多伦多大学、悉尼大学

二氧化碳的电还原反应(图1)一直被认为是有效将温室气体转化成可利用的燃料和化学物质的方法。然而,二氧化碳的还原效率却十分的低,仅有不到2%的二氧化碳能被合成最终产物。为此,多伦多大学Edward H. Sargent、David Sinton和悉尼大学/多伦多大学李逢旺等人研究发现,在铜电极表面加上一层阳离子加强层(Cation-Augmenting Layer)可以使二氧化碳的反应处在pH<1的强酸环境中,并提高二氧化碳的利用率。在1.2 A/cm2电流密度和 4.2 V全电池电压下,向多碳产物(乙烯、乙醇和 1-丙醇)的转化效率高达50%。


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图1. 二氧化碳在阴离子交换反应膜中的反应过程

尽管有许多相关的研究和改进实验,二氧化碳的电还原反应始终缺乏实际应用的可行性。原因是在其周边存在的强碱性条件下,二氧化碳并不会被还原而是与强碱反应生成碳酸根。碳酸根的形成大大降低了二氧化碳的利用效率。据统计,在碱性和中性环境下的二氧化碳电解槽中,有超过50%的能源消耗来自于将二氧化碳从碳酸根再生。(图2)所以,确保该反应能在酸性环境中进行,对提高其反应效率以及减少能源消耗具有重要意义。

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图2. 二氧化碳的电还原反应的能源消耗分布图

然而,在酸性环境中,该研究又存在了另一个问题:由于析氢反应(hydrogen evolution reaction)的反应动力超过了二氧化碳的还原反应,以至于后者的法拉第效率(faradaic efficiency)几乎为零。因此,该团队采用高浓度的磷酸根缓冲液(总磷浓度为1M)作为电解质,并使阳极附近的pH浓度无限接近溶液的pH(强酸环境)。为了抑制析氢反应,该团队发现向电解质中加入阳离子会对二氧化碳还原反应有催化作用。在强酸环境下(pH<1),阳离子的种类会其反应速率有影响。该团队以k+为例进行试验发现,在缺少氢离子,也就是中性和碱性的环境中,k+可以加快二氧化碳的还原反应并抑制析氢反应。然而K+在强酸环境下的溶解性十分有限。因此,该团队采用了在铜电极表面加上一层阳离子加强层(图3),可以使电极始终处于高K+浓度的环境中,以提高其反应速率和效率。
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图3. 铜电极表面阳离子加强层的示意图(CAL- Cation-Augmenting Layer)

此外,通过降低二氧化碳的流动速度,该反应的法拉第效率也会有所提高。该团队后续研究的计划是在阳离子加强层的实验基础上,进行包括关于阳离子的选择以及电解槽电压的改进。

部分通讯作者介绍:
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李逢旺
李逢旺现任职于悉尼大学化学与生物分子工程系,Lecture(等同于美国tenure-track assistant professor)。本科(2010)、硕士(2013)毕业于中国人民大学化学系,导师张美宁教授;2017年博士毕业于澳大利亚Monash大学,导师为Future Fellow Jie Zhang教授和澳大利亚两院院士Douglas MacFarlane教授。博士期间获得学校最优博士论文奖。2018至2020年于加拿大多伦多大学从事博士后研究,合作导师为加拿大两院院士Edward Sargent教授。2020年获得澳大利亚Discovery Early Career Research Award。长期从事电化学和电催化研究,在Nature,Science,Nature Catalysis,Nature Materials,Angewandte Chemie,JACS,EES等杂志发表论文50余篇。

课题组主页:
https://www.sydney.edu.au/engineering/about/our-people/academic-staff/fengwang-li.html
https://www.fengwangli.com

原文链接:
https://science.sciencemag.org/content/372/6546/1074

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参考文献: