研究實現高效酸性二氧化碳電還原制甲酸

近日，中國科學技術大學教授高敏銳和唐凱斌課題組合作，研制了一種具有“儲液池”結構的片狀鉍基催化劑，在酸性環境中營造了局域強堿微環境，抑制了析氫副反應，促使二氧化碳向甲酸高效轉化。12月12日，相關研究成果發表于美國《國家科學院院刊》。

電催化二氧化碳還原制備高附加值碳基產品，不僅可以實現二氧化碳的資源化利用，還可有效儲存間歇性可再生電能。甲酸是一種重要的化工原料，廣泛應用于有機化工原料合成和儲氫材料制備等領域。

在酸性介質中，電催化二氧化碳還原可以直接制備純甲酸水溶液，被認為是一種非常有前景的能源供應途徑。然而，酸性介質中析氫動力學更占優勢，如何抑制氫氣生成，實現高甲酸生產率仍然是一個巨大挑戰。

研究人員模擬催化劑表面的物種分布和pH值情況，發現“儲液池”結構能有效富集羥基和鉀離子，使電極表面呈局域堿性。相反，顆粒狀催化劑表面的pH值很低，主要發生析氫副反應。 

電催化性能測試表明，在電位相對于標準氫電極為1.7 伏特時，“儲液池”催化劑的甲酸法拉第效率達到最大值95.5%，而氫氣法拉第效率被抑制在3%以下。催化劑穩定性評估表明，在總電流密度為300毫安每平方厘米時，“儲液池”結構催化劑能穩定法拉第效率不變，而鉍顆粒催化劑則快速失活。這些結果證明，“儲液池”結構能抑制羥基向外擴散和質子向內擴散，在電極表面形成穩固的局域強堿微環境，從而抑制氫氣生成，提高二氧化碳到甲酸的選擇性。

進一步地，研究人員在超薄流動電解槽中測試“儲液池”催化劑的二氧化碳轉化性能。在電流為1.25安培時，“儲液池”催化劑的甲酸法拉第效率達到95.8%；在槽壓為2.96伏特時，甲酸全電池能量效率達到40%，單程轉化效率可達79%，這種表現超過了先前在酸性介質中報道的水平。通過在0.5安培電流下穩定電解50小時，研究人員最終電合成360毫升純度為4.2重量百分數的甲酸水溶液。

審稿人認為，“該工作具有很強的創新性，為解決酸性二氧化碳還原過程中嚴重的析氫副反應難題提供了新的思路。這種‘儲液池’催化劑的概念有望應用于其他二氧化碳還原催化劑的設計，從而實現高附加值產品的高選擇性合成。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2312876120