研究背景

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研發(fā)兼具高活性和高穩(wěn)定性的CO2還原電催化劑是研究人員孜孜不倦追求的目標(biāo)。

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基于異相催化的固體電催化劑能在高達(dá)150 mA/cm2的電流密度下進(jìn)行CO2還原，但如何在如此高的電流密度下保持高的穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)化效率仍是一個(gè)世界性難題。

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基于均相催化的分子電催化劑則能在CO2還原反應(yīng)中達(dá)到更高的選擇性，并能從分子設(shè)計(jì)的角度設(shè)法降低CO2還原反應(yīng)的過(guò)電位。但其電流密度過(guò)低，難以達(dá)到商業(yè)應(yīng)用的要求。

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成果速遞

近日，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的Curtis P. Berlinguette和法國(guó)巴黎大學(xué)的Marc Robert（共同通訊作者）等以商業(yè)酞菁鈷（CoPc）作為均相電催化劑，在液流電池中電催化CO2還原反應(yīng)，證明了基于液流電池體系的分子催化劑在CO2還原反應(yīng)中的可用性。

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在這項(xiàng)工作中，研究人員把商業(yè)CoPc催化劑固定在陰極的氣體擴(kuò)散層上，并與基于泡沫鎳的析氧反應(yīng)催化劑串聯(lián)，構(gòu)成液流電池的完整回路。

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當(dāng)液流電池的電流密度為150 mA/cm2時(shí)，CoPc催化CO2還原為CO的選擇性高于95%。

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當(dāng)兩電極體系的外加電壓為2.5 V時(shí)，CO2還原生成CO的電流密度為175 mA/cm2。該電壓僅比Ag催化劑在同等條件下所需的電壓低0.4 V。

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基于液流電池的分子催化劑之所以能達(dá)到更高的催化電流密度，是由于以下原因：

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1. 與通常的電解池相比，液流電池在液相傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)上更占優(yōu)勢(shì)；

2. 直接向陰極供應(yīng)CO2氣體，克服了CO2氣體在水溶液中溶解度低、擴(kuò)散慢的劣勢(shì)。

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CoPc分子催化劑在液流電池中也表現(xiàn)出更高的電化學(xué)穩(wěn)定性，在50 mA/cm2的高電流密度下能持續(xù)工作100 h以上。而在普通電解池中，CoPc只能以10 mA/cm2的低電流密度工作10 h。

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值得注意的是，CoPc分子催化劑在液流電池中的工作壽命是由局域質(zhì)子濃度而不是由催化劑穩(wěn)定性控制的。

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該工作以“Molecular electrocatalysts can mediate fast, selective CO2 reduction in a flow cell”為標(biāo)題于2019年7月26日發(fā)表在國(guó)際頂刊Science上。

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圖文導(dǎo)讀

圖一、CO2還原生成CO的活性和選擇性隨電流密度和外加電壓的變化趨勢(shì)

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圖二、以CoPc作為液流電池中的分子催化劑進(jìn)行CO2還原反應(yīng)。

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圖三、CO2還原為CO的選擇性及外加電壓隨電流密度的變化趨勢(shì)。

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圖四、CoPc催化劑的電化學(xué)穩(wěn)定性。（電流密度為50 mA/cm2。）

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原文信息

Molecular electrocatalysts can mediate fast, selective CO2 reduction in a flow cell (Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax4608)