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焦鋒教授團(tuán)隊(duì)，最新Nature Sustainability評(píng)論！

成果展示

電化學(xué)還原CO₂為增值化學(xué)品引起了科研人員的廣泛關(guān)注，但由于CO₂電還原反應(yīng)的復(fù)雜性質(zhì)，報(bào)道一種新的CO₂電催化劑或新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)的性能并不重要。在許多情況下，結(jié)果以令人困惑的方式呈現(xiàn)，使得很難評(píng)估催化劑或器件的真實(shí)性能。

基于此，美國(guó)特拉華大學(xué)焦鋒教授等人在Nature Sustainability上發(fā)表了題為“Best practices for electrochemical reduction of carbon dioxide”的評(píng)論文章。

在文中，作者首先討論了文獻(xiàn)中已報(bào)道新型電催化劑（包括多相催化劑和分子催化劑）性能時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題，然后將討論擴(kuò)展到如何正確地測(cè)量和量化產(chǎn)品。最后，作者評(píng)論了與全電池水平研究相關(guān)的問(wèn)題，并推薦電化學(xué)CO₂還原的最佳實(shí)踐。

報(bào)道電催化劑性能

通常利用典型的三電極間歇電池（H-電池）評(píng)價(jià)電催化性能。由于催化劑可獲得的CO₂（反應(yīng)物）的量受到CO₂溶解度的限制（在環(huán)境條件下約為34 mM），在質(zhì)量傳輸問(wèn)題占主導(dǎo)地位前，最高工作電流密度限制在約20 mA cm^-2。

一種新催化劑的性能通常使用四個(gè)主要性能指標(biāo)（即產(chǎn)品法拉第效率、過(guò)電位、電流密度和穩(wěn)定性）的矩陣來(lái)報(bào)告，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)試以顯示法拉第效率誤差范圍內(nèi)的可重復(fù)性。

此外，應(yīng)避免使用非常規(guī)單位，因?yàn)樵谂c文獻(xiàn)中報(bào)道的值進(jìn)行比較時(shí)可能存在混淆和困難。如果要求較高的工作電流密度，應(yīng)在該電流密度下指定過(guò)電位和法拉第效率。簡(jiǎn)單地報(bào)告從線性掃描伏安法獲得的最大電流密度值是不可接受的。

同樣，當(dāng)要求具有較高的法拉第效率時(shí)，必須同時(shí)報(bào)告相應(yīng)的電流密度和過(guò)電位。催化劑的穩(wěn)定性應(yīng)在相對(duì)較高的電流密度下進(jìn)行評(píng)估，將加速催化劑穩(wěn)定性問(wèn)題的暴露。

需注意，在較高的電流密度下，固有催化活性的測(cè)量和分析更加復(fù)雜，而且應(yīng)該考慮到質(zhì)量傳輸效應(yīng)。

圖1. 用于CO₂還原實(shí)驗(yàn)的電化學(xué)電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)量CO₂還原產(chǎn)物

雖然氣態(tài)CO₂還原產(chǎn)物只需要陰極出口來(lái)分析產(chǎn)物，但分析陽(yáng)極可以提供非常有用的信息。對(duì)于任何在線氣體分析設(shè)備，在出口陰極和陽(yáng)極線之間安裝一個(gè)簡(jiǎn)單的氣動(dòng)開關(guān)，可用一個(gè)分析儀對(duì)兩邊進(jìn)行測(cè)試。

使用入口流速作為出口流速的近似值很簡(jiǎn)單，但需要可以忽略不計(jì)的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)物的損失。在1-10 mA cm^-2體系下工作的H-電池，當(dāng)電流高一個(gè)數(shù)量級(jí)（100-1000ma cm^-2）時(shí)，會(huì)發(fā)生大量的轉(zhuǎn)換，因此必須測(cè)量出口流量。

當(dāng)CO₂與KOH反應(yīng)生成碳酸鹽時(shí)，這種均勻的副反應(yīng)會(huì)進(jìn)一步清除CO₂，導(dǎo)致出口流量的大幅損失。由于類似的問(wèn)題，液體產(chǎn)品也需要仔細(xì)分析，而總體積也需要確定產(chǎn)量。

在以陰極為基礎(chǔ)的電池中，離子將穿過(guò)膜轉(zhuǎn)移，并且由于這些離子是水合的，意味著在測(cè)試過(guò)程中含水量將自然發(fā)生變化。由于這些誤差隨電流密度、陰極儲(chǔ)層和實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間的變化而變化，這將成為一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題。

全電池級(jí)別的性能

在氣體擴(kuò)散電極（GDE）系統(tǒng)中，某些參數(shù)（傳質(zhì)和局部pH值）減小或增大，但基本原理保持不變。雖然可擴(kuò)展的高電流密度GDE電解槽使分析更加復(fù)雜，但科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和完整性不能妥協(xié)。

目前，該領(lǐng)域還沒(méi)有解決最佳的CO₂電解設(shè)計(jì)是直接零間隙，膜電極組件還是間隙基于陰極的GDE。對(duì)于零間隙和間隙電池，在出口陰極氣體線中有一個(gè)冷阱可捕獲液體物種，因?yàn)樗鼈冏匀荒Y(jié)的傾向使得可量化的直接檢測(cè)其蒸汽含量具有挑戰(zhàn)性。

此外，CO₂電解產(chǎn)物的陽(yáng)極再氧化也可能是一個(gè)實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題，標(biāo)準(zhǔn)和空白提供了關(guān)于這種陽(yáng)極氧化程度的有用定性信息。

對(duì)于CO₂電解，作者需要確保在陽(yáng)極和膜的實(shí)驗(yàn)描述中具有與陰極相同的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。雖然已經(jīng)提出了加速耐久性測(cè)試，但在做出絕對(duì)穩(wěn)定性聲明前，該領(lǐng)域還需要大量的工作。

由于穩(wěn)定性故障可能與非線性增加的因素有關(guān)，至少100 h的運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試可發(fā)現(xiàn)許多此類問(wèn)題，從而在穩(wěn)定性方面提供更準(zhǔn)確的分析。

建議

對(duì)于未來(lái)電化學(xué)CO₂還原的研究，作者建議以下做法：

1）任何一種新型催化劑的性能都應(yīng)該以一種全面的方式進(jìn)行評(píng)估和報(bào)告，即使用一個(gè)性能指標(biāo)矩陣（法拉第效率、過(guò)電位、電流密度和穩(wěn)定性）；

2）由于實(shí)驗(yàn)條件會(huì)對(duì)催化劑的性能產(chǎn)生重大影響，因此必須報(bào)告所有實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，包括材料來(lái)源、化學(xué)品純度、催化劑制備方法、預(yù)處理和預(yù)處理程序、電化學(xué)測(cè)試條件等；

3）應(yīng)采用準(zhǔn)確的方法進(jìn)行產(chǎn)品量化。

文獻(xiàn)信息

Best practices for electrochemical reduction of carbon dioxide. Nature Sustainability, 2022, DOI: 10.1038/s41893-022-01034-z.

https://doi.org/10.1038/s41893-022-01034-z.

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