大化所ACS Energy Lett.: 调制颗粒间距，实现工业相关CO选择性电解

CO₂电解法生产乙烯、乙醇、乙酸等多碳(C₂₊)产品极具吸引力，但碳利用率低。通过将CO₂还原成CO，再进行CO电解，为C₂₊生产提供了一条高效的途径。与CO₂电解相比，CO电解更有利于C-C耦合，因为CO的覆盖率更高。然而，由于CO电解产生特定C₂₊的反应途径非常复杂，选择性生产C₂₊产物仍然具有挑战性。CO₂/CO电解选择性控制的研究主要集中在催化剂结构的尺寸、形状、组成、缺陷、氧化状态以及纳米和原子尺度的低配位等方面。同时，影响中尺度物种迁移的因素，如邻近效应也同样重要，但往往被忽视。

近日，中国科学院大连化物所高敦峰课题组采用一种简便的方法，将Cu纳米粒子与炭黑物理混合，制备出平均粒子间距可调的Cu纳米粒子气体扩散电极(GDEs)，并研究了在工业相关电流密度下粒子间距对CO电解产物选择性的影响。值得注意的是，增加Cu纳米颗粒在催化剂层中的平均颗粒间距可以提高对乙酸盐的选择性。

实验和数值计算结果表明，较大的颗粒间距离增加了Cu纳米颗粒附近的局部pH值和局部CO浓度，这是由于中尺度上颗粒间CO扩散减弱，从而导致CO电解产生乙酸的改善。

通过进一步耦合外部反应条件(即CO压力升高和阳极液浓度升高)，乙酸盐法拉第效率(FE)和部分电流密度分别达到77.5%和705 mA cm^-2。此外，在施加的电流密度为300 mA cm^-2和0.5 MPa CO进料条件下，在1.0 M KOH中测量Cu纳米粒子电极的稳定性。结果表明，在110小时的反应过程中，电池电压稳定在2.4 V左右，乙酸盐FE稳定在70%左右。

总体而言，该项工作证实通过耦合催化剂的介观设计和外部过程强化，可以在工业相关条件下选择性生产特定的产物。

Interparticle distance matters for selectivity control in industrially relevant CO electrolysis. ACS Energy Letters, 2024. DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01203