利用可再生電力驅動的CO₂還原為多碳（C₂₊）產物提供了實現低碳足跡燃料和化學品的一條有希望的途徑。然而，在堿性和中性反應器中，電解液通過與氫氧化物反應形成碳酸鹽/碳酸氫鹽消耗了大部分輸入CO₂（>85%）。酸性條件提供了克服該限制的解決方案，但也促進了析氫反應（HER）。

基于此，加拿大多倫多大學Edward H. Sargent院士和香港中文大學王瑩教授（共同通訊作者）等人報道了一種在酸性介質CO₂RR下表現出更高效率的催化劑。作者引入了雙金屬X-Cu催化劑，可以調節(jié)局部CO*覆蓋并通過吸附物-吸附物相互作用抑制H*吸附。作者利用密度泛函理論（DFT）計算，篩選了對CO*具有強親和力的不同金屬，發(fā)現Pd-Cu催化劑在酸性介質中催化CO₂轉化為C₂₊是最有希望的，因為其表現出最低的ΔG_OCCOH*，同時?G_OCCOH*-?G_CHO*最低，表明其對C₂₊產物具有高活性和選擇性。在實驗時，作者將Pd-Cu雙金屬催化劑用于在酸性CO₂RR電解槽中，而該電解槽采用酸性本體環(huán)境，并在催化劑表面產生弱堿性局部環(huán)境的條件下運行。這種pH梯度確保局部產生的碳酸鹽被轉化為CO₂，以提高碳利用率并促進表面C-C耦合以產生C₂₊。

此外，作者展示了液體產品交叉<0.05%，在電流密度為500 mA cm^-2酸性介質中，CO₂轉化為C₂₊的法拉第效率（FE）為89±4%，單程碳效率為60±2%（考慮總和時的總CO₂利用率為68±4%，包括C₁和C₂₊產物）。

由可再生電力驅動的CO₂電還原（CO₂RR）合成的乙烯、乙醇等多碳（C₂₊）產物，目前受到了廣泛的關注。其中，堿性或中性pH電解質通常用于抑制競爭性析氫反應（HER），同時促進非均相電催化劑上的C-C偶聯，而CO₂RR依賴堿性和中性電解質會導致碳酸鹽的形成。在CO₂RR和HER期間，H⁺的消耗在催化劑表面附近造成局部堿性環(huán)境。此外，碳酸鹽向陽極的傳輸和隨后的CO₂演化要求從陽極流中分離和回收CO₂，成本高昂。當使用C₂₊化學品時，至少75%的輸入CO₂被消耗以形成碳酸鹽，而不是被還原，是實現高效CO₂電解的主要障礙。同時，液體產品交叉還需要解決：甲酸鹽、醋酸鹽和乙醇通過遷移、擴散和電滲阻力穿過陰離子交換膜（AEM），導致產物損失。雖然電解質中的高質子濃度和利用Nafion膜作為分離器，有望最大限度地減少碳酸鹽的形成和液體產物的交叉，但是CO₂RR通常不會在酸性電解質中有效進行，尤其是生產C₂₊產物時。H*，即HER的中間體，在CO₂RR過程中與活性位點上的CO*吸附競爭。

局部物種濃度分布圖

High carbon utilization in CO₂ reduction to multi-carbon products in acidic media. Nature Catalysis, 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00788-1.10.1038/s41929-022-00788-1.