焦锋教授团队，最新Nature Sustainability评论！

成果展示

电化学还原CO₂为增值化学品引起了科研人员的广泛关注，但由于CO₂电还原反应的复杂性质，报道一种新的CO₂电催化剂或新的反应器设计的性能并不重要。在许多情况下，结果以令人困惑的方式呈现，使得很难评估催化剂或器件的真实性能。

基于此，美国特拉华大学焦锋教授等人在Nature Sustainability上发表了题为“Best practices for electrochemical reduction of carbon dioxide”的评论文章。

在文中，作者首先讨论了文献中已报道新型电催化剂（包括多相催化剂和分子催化剂）性能时的常见问题，然后将讨论扩展到如何正确地测量和量化产品。最后，作者评论了与全电池水平研究相关的问题，并推荐电化学CO₂还原的最佳实践。

报道电催化剂性能

通常利用典型的三电极间歇电池（H-电池）评价电催化性能。由于催化剂可获得的CO₂（反应物）的量受到CO₂溶解度的限制（在环境条件下约为34 mM），在质量传输问题占主导地位前，最高工作电流密度限制在约20 mA cm^-2。

一种新催化剂的性能通常使用四个主要性能指标（即产品法拉第效率、过电位、电流密度和稳定性）的矩阵来报告，同时应进行多次测试以显示法拉第效率误差范围内的可重复性。

此外，应避免使用非常规单位，因为在与文献中报道的值进行比较时可能存在混淆和困难。如果要求较高的工作电流密度，应在该电流密度下指定过电位和法拉第效率。简单地报告从线性扫描伏安法获得的最大电流密度值是不可接受的。

同样，当要求具有较高的法拉第效率时，必须同时报告相应的电流密度和过电位。催化剂的稳定性应在相对较高的电流密度下进行评估，将加速催化剂稳定性问题的暴露。

需注意，在较高的电流密度下，固有催化活性的测量和分析更加复杂，而且应该考虑到质量传输效应。

图1. 用于CO₂还原实验的电化学电池的基本结构示意图

测量CO₂还原产物

虽然气态CO₂还原产物只需要阴极出口来分析产物，但分析阳极可以提供非常有用的信息。对于任何在线气体分析设备，在出口阴极和阳极线之间安装一个简单的气动开关，可用一个分析仪对两边进行测试。

使用入口流速作为出口流速的近似值很简单，但需要可以忽略不计的转化率或反应物的损失。在1-10 mA cm^-2体系下工作的H-电池，当电流高一个数量级（100-1000ma cm^-2）时，会发生大量的转换，因此必须测量出口流量。

当CO₂与KOH反应生成碳酸盐时，这种均匀的副反应会进一步清除CO₂，导致出口流量的大幅损失。由于类似的问题，液体产品也需要仔细分析，而总体积也需要确定产量。

在以阴极为基础的电池中，离子将穿过膜转移，并且由于这些离子是水合的，意味着在测试过程中含水量将自然发生变化。由于这些误差随电流密度、阴极储层和实验持续时间的变化而变化，这将成为一个越来越重要的问题。

全电池级别的性能

在气体扩散电极（GDE）系统中，某些参数（传质和局部pH值）减小或增大，但基本原理保持不变。虽然可扩展的高电流密度GDE电解槽使分析更加复杂，但科学的严谨性和完整性不能妥协。

目前，该领域还没有解决最佳的CO₂电解设计是直接零间隙，膜电极组件还是间隙基于阴极的GDE。对于零间隙和间隙电池，在出口阴极气体线中有一个冷阱可捕获液体物种，因为它们自然凝结的倾向使得可量化的直接检测其蒸汽含量具有挑战性。

此外，CO₂电解产物的阳极再氧化也可能是一个实质性的问题，标准和空白提供了关于这种阳极氧化程度的有用定性信息。

对于CO₂电解，作者需要确保在阳极和膜的实验描述中具有与阴极相同的科学严谨性。虽然已经提出了加速耐久性测试，但在做出绝对稳定性声明前，该领域还需要大量的工作。

由于稳定性故障可能与非线性增加的因素有关，至少100 h的运行稳定性测试可发现许多此类问题，从而在稳定性方面提供更准确的分析。

建议

对于未来电化学CO₂还原的研究，作者建议以下做法：

1）任何一种新型催化剂的性能都应该以一种全面的方式进行评估和报告，即使用一个性能指标矩阵（法拉第效率、过电位、电流密度和稳定性）；

2）由于实验条件会对催化剂的性能产生重大影响，因此必须报告所有实验细节，包括材料来源、化学品纯度、催化剂制备方法、预处理和预处理程序、电化学测试条件等；

3）应采用准确的方法进行产品量化。

文献信息

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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