本篇文章为电催化系列基础知识的第1篇内容，持续更新中

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电催化CO₂还原研究现状

截至2023年6月，大气中的CO₂含量已经上升到424 ppm，CO₂的转化与利用迫在眉睫[1]。近年来，电催化CO₂还原的研究已经取得了长足进步，通过电催化方式可以将CO₂转化为CO、HCOOH、CH₄、C₂H₅OH等[2~6]。然而，目前电催化CO₂还原研究仍然无法满足工业化生产的需求，诸多问题有待解决[7]：

1. 产物选择性仍然较低，特别是高附加值化学品。较低的选择性将增加产物的分离和纯化难度；

2. 目标产物的局部电流密度很低，目标产物所需过电位很高。过低的电流密度和较高的过电位直接影响电催化CO₂还原反应能量转化效率；

3. 电催化CO₂还原反应的反应机理有待进一步研究；

4. 反应装置仍无法满足工业需求，如电极的耐久性、离子交换膜的性能、催化剂的稳定性等等。

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目前实验室中使用的电催化CO₂还原的反应池主要包括H型电解槽（H-Cell）、流动型电解槽（Flow Cell）和膜电极电解槽（Membrane Electrode Assembly，MEA）[8]。

H型电解槽

​图a. H型电解槽示意图[8].

H型电解槽由阴极室、阳极室和离子交换膜组成。CO₂连续通入到阴极室中，发生还原反应，CO₂携带气体产物进入气相色谱仪检测，阳极室主要发生析氧反应。H型电解槽一般选用0.5 M KHCO₃作为电解液。H型电解槽装置较为简单，成本较低。然而由于CO₂在电解液中有限的溶解度和扩散系数，导致反应传质效率低，反应速率慢。H型电解槽中进行的电催化CO₂还原电流密度一般低于100 mA/cm² [9]。此外，中性电解液无法有效抑制HER反应的发生。

流动型电解槽

​图b. 流动型电解槽示意图[8].

流动型电解槽主要由多孔疏水气体扩散层、阴极室、阳极室和离子交换膜组成。CO₂连续穿过多孔疏水气体扩散层与催化剂和电解液在气-液-固三相界面发生反应，有效解决了H型电解槽传质效率低的问题[10]。同时，流动型电解槽缩短了阴极室和阳极室间的距离，有效降低了电解液的阻抗和整个反应系统的欧姆降[11]。流动型电解槽一般选用1 M KOH作为电解液，可有效抑制HER反应的竞争。流动型电解槽中进行的电催化CO₂还原反应电流密度一般大于500 mA/cm² [11]。尽管流动型电解槽可以达到较高的电流密度，但其稳定性仍然存在问题。由于气体扩散层的稳定性问题，流动型电解槽存在电解液溢流的隐患。除此之外，CO₂与碱性电解液直接接触容易形成碳酸盐或碳酸氢盐，堵塞气体扩散层的气体传输通道，影响反应速率[9，11]。

膜电极电解槽

​图c. 膜电极电解槽示意图[8].

膜电极电解槽主要由多孔疏水气体扩散层、阴极室、阳极室和离子交换膜组成。膜电极电解槽保留了流动型电解槽传质效率高的优良特点，因此可以达到较高的电流密度。但不同的是，膜电极电解槽的阴极室中没有电解液穿过，一定湿度的CO₂气体穿过多孔疏水气体扩散层直接与催化剂发生气-固相反应，可以有效避免流动型电解槽中存在电解液溢流、气体扩散层堵塞等问题。阳极室中有电解液通过，发生析氧反应，阳极室一般选用一定浓度的KOH作为电解液。由于阴极室中无电解液，参比电极和工作电极之间无法形成电势回路，膜电极电解槽通常为两电极体系，而非三电极体系。这一点不同于H型电解槽和流动型电解槽，双室较短的间距可以显著降低系统阻抗，提高电催化CO₂还原反应速率和能量转化效率[9，10]。然而，膜电极电解槽与实际工业化生产需求仍然存在差距。由于阴极室中没有电解液的循环，还原反应产生的液体产物极易堵塞多孔疏水气体扩散层，影响整个反应的传质。除此之外，离子交换膜的寿命有限，不满足长期生产要求[9]。

PLS-MECF系列双室碱性电解槽

除了不断开发新型高效、高稳定性的催化剂之外，新型反应器的设计与研发对于电催化CO₂还原反应研究同样具有重要意义。

为了满足实验需求，泊菲莱科技推出了PLS-MECF系列双室碱性电解槽，其具有高效率、高稳定、长寿命的特性，有PLS-MECF-01双室碱性电解槽和PLS-MECF-02可视化双室碱性电解槽两个型号可选，详细信息可拨打电话400-1161-365咨询。

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以上部分内容是笔者根据参考文献进行翻译和汇总，笔者水平有限，如有错误，请大家指正！

参考文献：

[1]     Charles D Keeling, Alane F. Carter, Willem G. Mook, Scripps institution of oceanography[J]. 2023.

[2]    Yu Ke, Sun Kainan, Chen Chen* et.al., Oxalate-Assisted synthesis of hollow carbon nanocage with Fe single atoms for electrochemical CO₂ reduction [J]. Small, 10.1002/smll.202302611.

[3]    Zang Yipeng, Liu Tianfu, Wang Guoxiong* et.al., In situ reconstruction of defect-rich SnO₂ through an analogous disproportionation process for CO₂ electroreduction[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 5: 446.

[4]    Deng Bangwei, Huang Ming, Dong Fan* et.al., The crystal plane is not the key factor for CO₂-to-methane electrosynthesis on reconstructed Cu₂O microparticles[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2021, 61: 7.

[5]    Wang Pengtang, Huang Xiaoqing*, Qiao Shizhang* et.al., Boosting electrocatalytic CO₂-to-ethanol production via asymmetric C-C coupling[J]. Nature Communications, 2022, 13: 3754.

[6]    Mangjeet Chhetri, Che Fanglin*, Yang Ming* et.al., Dual-site catalysts featuring platinum-group-metal atoms on copper shapes boost hydrocarbon formations in electrocatalytic CO₂ reduction[J]. Nature Communications, 2023, 14: 3075.

[7]    She Xiaojie, Shik Chi Edman Tsang*, Shu Ping Lau* et.al., Challenges and opportunities of electrocatalytic CO₂ reduction to chemicals and fuels[J]. Angewandte Chemie International Edition 2022, 22: 49.

[8]    Ma Wenchao, Xie Shunji*, Wang Ye* et.al., Electrocatalytic reduction of CO₂ and CO to multi-carbon compounds over Cu-based catalysts[J]. Chemical Society Reviews, 2021, 50: 12897.

[9]    Yuan Lei, Zeng Shaojuan, Zhang Suojiang* et.al., Advances and challenges of electrolyzers for large-scale CO₂ electroreduction[J]. Materials Reports: Energy, 2023, 3. 100177.

[10] Xu Dezhi, Liu Xue*, Ma Tianyi* et.al., Electrocatalytic CO₂ reduction towards industrial applications[J]. Carbon Energy, 2023, 15: 230.

[11] Lai Wenchuan, Lin Zhiqun*, Huang Hongwen* et.al., Design strategies for markedly enhancing energy efficiency in the electrocatalytic CO₂ reduction reaction[j]. Energy Environ. Sci., 2022, 15: 3603