巩金龙教授：“碳酸氢根电解质在电极表面的富集可有效促进CO2电化学还原”|Fundamental Research

随着工业化的发展，化石燃料的大量燃烧等因素导致大气中的CO₂浓度由1960年的313 ppm升高到了2021年的419 ppm，由此带来了严重的温室效应。而CO₂电化学还原，通过利用可再生能源（如风能、太阳能、潮汐能）等产生的电能将CO₂还原为一氧化碳、甲酸、乙烯、乙醇、异丙醇等燃料与高值化学品，为缓解温室效应和实现绿色碳循环提供了一条有效的途径。近年来，关于CO₂电化学还原的大部分研究主要集中在提升催化剂的本征性能上。然而，作为电子和质子转移介质的碳酸氢盐电解质同样会显著的影响CO₂电化学还原的活性和选择性。

近期，天津大学巩金龙教授研究团队与加拿大多伦多大学Ozin教授在国家自然科学基金委员会主管、主办的Fundamental Research期刊上发表论文，揭示了碳酸氢盐电解质在CO₂电化学还原过程中的作用。碳酸氢根离子作为CO₂电化学还原最常用的电解液阴离子，可以通过与溶解的CO₂气体进行快速平衡交换来增强反应活性，且更高浓度的碳酸氢盐还可以促进反应实现更高的能量效率。但研究发现随着碳酸氢盐浓度的增加，CO₂电化学还原反应的活性会出现平台期，这给使用高浓度的碳酸氢盐电解液来提高反应性能的策略带来了巨大的阻碍。因此，系统地探索反应活性与碳酸氢盐浓度的内在关系对进一步提高CO₂电化学活性至关重要。

通过原位电化学实验观察，研究团队发现带负电荷的碳酸氢根阴离子会在反应过程中富集在电极表面。而富集的碳酸氢根阴离子又能转化为CO₂，为反应提供充足的反应物（图1）。此外，研究结果进一步显示碳酸氢根阴离子的局部浓度受碳酸氢盐电解质体相浓度和电极电位的控制。这一发现成功地解释了反应活性随碳酸氢盐浓度升高而出现活性平台期的主要原因是由于电极表面碳酸氢根浓度受到了电极电位的限制。

开展这项工作的博士生邓万玉说：“我们的研究清楚地描述了在CO₂电化学还原过程中碳酸氢盐的作用，并揭示了CO₂电化学还原活性对局部碳酸氢盐浓度的依赖性。这一发现将指导碳酸氢盐的直接电还原，同时为在CO₂电化学还原过程中使用高浓度电解质的策略提供支持。”

本研究预计有望为在CO₂电化学还原过程节省大量能耗，并为其工业化进程铺平道路。

图1. 在CO2饱和KHCO3溶液中的CO2电化学还原过程示意图

文章信息

Effect of bicarbonate on CO₂ electroreduction over cathode catalysts

W. Y. Deng, T. H. Yuan, S. Chen, et al.

Fundamental Research 1(4)(2021)432–438

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作者简介

巩金龙 天津大学北洋讲席教授。国家杰出青年基金项目获得者、教育部长江学者特聘教授、国家重点研发计划项目首席科学家。主要从事能源化工领域教学科研工作，先后主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目30余项。在国际重要学术期刊发表论文300余篇；申请美国、中国发明专利100余项。曾获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、首届科学探索奖、第十五届中国青年科技奖—特别奖、高等教育国家级教学成果一等奖、省部级科技奖一等奖三项等奖励。

邓万玉 2016年本科毕业于天津大学化学工程与工艺专业，目前师从巩金龙教授攻读化学工程博士学位。主要研究方向为电化学CO₂还原反应机理的研究及催化剂设计。

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