一、院士【导读】

碱性以及中性电解质抑制析氢反映（HER），高效增长电化学CO₂复原反映（CO₂RR）中的酸性C-C耦合。可是串联，在这种情景下，电催由于阴极部份碱度较高，化质逾越75%的料牛输入CO₂经由与氢氧根离子（OH^-）反映组成碳酸氢盐，进而以化学方式损失。院士这会飞腾CO₂的高效单程转化功能（SPCE），并为接管损失的酸性CO₂反映物带来能量损失。在CO₂RR中运用酸性电解质可能经由削减碳酸氢盐的串联组成以及CO₂交织来后退CO₂的运用率，但在酸性介质中，电催能源学上更易爆发HER，化质导致CO₂RR抉择性较差。料牛因此需要谋求在酸性条件下增长抉择性组成C₂₊的院士策略。

 二、【下场掠影】

无意见以为高CO拆穿困绕率有助于C-C偶联。基于此，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent院士团队报道了将CO₂转化为C₂₊反映解耦为两个步骤，即CO₂转化为CO以及CO转化为C₂₊，经由两个差距的催化剂层串联操作来实现所需的转化。第一种催化剂是原子散漫的酞菁钴（CoPc），其以高抉择性将CO₂复原为CO。该历程削减了部份CO的可用性，以增强第二催化剂层上的C-C偶联步骤。第二层催化剂是具备Cu-离聚物界面的Cu纳米催化剂。优化后的串联电极在电流密度为800 mA cm^-2下，在25℃条件下实现61%的C₂H₄FE以及82%的C₂₊FE。在电流密度为800 mA cm^-2以及2 ml min^-1的CO₂流速下，零星的单程碳功能为90±3%，C₂H₄FE为55±3%，总C₂₊FE为76±2%。钻研下场以题为“Efficient multicarbon formation in acidic CO₂reduction via tandem electrocatalysis”宣告在驰名期刊Nature Nanotechnology上。

三、【中间立异点】

一、经由两个差距的催化剂层串联操作来实现将CO₂-to-C₂₊反映解耦为两个步骤，即CO₂-to-CO以及CO-to-C₂₊。

二、在25°C以及800 mA cm^-2电流密度下，优化的串联电极可实现61% C₂H₄FE以及82% C₂₊FE。

三、在电流密度为800 mA cm^-2以及2 ml min^-1的CO₂流速下，零星的单程碳功能为90±3%，C₂H₄FE为55±3%，总C₂₊FE为76±2%。

四、【数据概览】

图1  串联催化酸性CO₂RR的空间解耦策略© 2023 Springer Nature

（a）差距CO拆穿困绕率下Cu概况H*中间体组成的反映逍遥能。

（b）差距CO拆穿困绕率下Cu概况CO二聚的初始态、过渡态以及最终态的能量扩散。

（c）在酸性缓冲电解液中，差距电流密度下CO₂RR以及CORR中Cu电极上H₂、C₂H₄以及C₂₊的FE值。

（d）酸性CO₂RR零星中离子传输以及反映的展现图。

（e）酸性CO₂RR零星中经由串联催化实现空间解耦策略的展现图，展现了酸性CO₂RR零星中的CO₂传输。

图2  原子散漫CoPc@HC 的分解与妄想合成© 2023 Springer Nature

（a）CoPc@HC的分解历程展现图。

（b）CoPc@HC的SEM图像。

（c）CoPc@HC 的HAADF-STEM图像以及响应的元素mapping图。

（d）CoPc@HC的相差校对于HAADF-STEM图像。

（e）CoPc@HC以及比力样品（Co箔、CoO、Co₃O₄、CoPc）的Co K-edge XANES光谱。

（f）CoPc@HC以及比力样品的傅立叶变更Co K-edge EXAFS光谱。

（g）在25℃的行动池中，在酸性缓冲电解液中，CoPc@HC电极与CoPc/C电极在酸性CO₂RR上的CO FE比力。

图3  酸性CO₂RR功能© 2023 Springer Nature

（a）CoPc@HC/Cu串联电极的横截面SEM图像。

（b-c）下层CoPc@HC催化剂层的TEM图像以及下层铜催化剂层与铜-离聚物界面的SEM图像。

（d）经由串联催化实现空间解耦策略的展现图，展现酸性CO₂RR中的电子（e^-）传输以及品质传输。

（e-f）在25℃的行动池中，在酸性缓冲电解液中，CoPc@HC/Cu串联电极以及铜电极上CO₂RR产物的FE值。

（g）C₂H₄以及H₂的部份电流密度。

（h）在酸性缓冲电解液中，25℃、800 mA cm^-2条件下，CoPc@HC/Cu串联电极上的CO₂RR产物以及SPCE的FE值。

（i）在25℃的行动池中，在酸性缓冲电解液中，CoPc@HC/Cu串联电极以及铜电极上CO₂RR产物的电流密度。

（j）开始进电极的比照，CoPc@HC/(Cu+CoPc@HC)串联电极的SPCE、FE以及C₂₊部份电流密度、乙烯的部份电流密度以及CO₂到乙烯的转化率。

图4  DFT合计以及原位拉曼丈量© 2023 Springer Nature

（a）在CoN₄-C/Cu串联电极以及铜电极上的CO₂RR逍遥能图。

（b）从一氧化碳到乙烯的关键中间产物的响应原子构型。

（c-d）25℃差距电位下铜电极以及CoPc/Cu串联电极的原位拉曼光谱。

（e）25℃时铜概况高CoPc拆穿困绕率的CoPc/Cu串联电极的原位拉曼光谱。

（f）CoPc/Cu串联电极在25℃时的原位拉曼光谱，表明CoPc在Cu概况有团聚。

五、【下场开辟】

本钻研探究了若何在铜概况富集CO，以抑制HER并增长酸性CO₂RR中多碳（C₂₊）产物的组成。搜罗将CO₂到C₂₊的总反映解耦为两个步骤，即CO₂到CO以及CO到C₂₊，每一个步骤都在集成串联催化剂中实现。这样，在800 mA cm^-2的条件下，C₂H₄FE为61%，C₂₊FE为82%，同时H₂FE坚持在<10%摆布。该零星的C₂H₄能效为16%，比以前报道的酸性CO₂到C₂H₄的高效电分解后退了两倍。该串联酸性CO₂RR零星在800 mA cm^-2的条件下，SPCE抵达90%，C₂H₄FE 抵达55%，C₂₊总FE抵达76%。合成表明，与开始进的碱性/中性/酸性零星比照，该串联零星具备较低的C₂H₄破费能耗老本。

原文概况：Efficient multicarbon formation in acidic CO2 reduction via tandem electrocatalysis (Nat. Nanotechnol.2023, DOI: 10.1038/s41565-023-01543-8)

本文由赛恩斯供稿。