今日Science：基于液流电池的CO2还原，分子催化剂终于派上用场！

研究背景

研发兼具高活性和高稳定性的CO2还原电催化剂是研究人员孜孜不倦追求的目标。

基于异相催化的固体电催化剂能在高达150 mA/cm2的电流密度下进行CO2还原，但如何在如此高的电流密度下保持高的稳定性和能量转化效率仍是一个世界性难题。

基于均相催化的分子电催化剂则能在CO2还原反应中达到更高的选择性，并能从分子设计的角度设法降低CO2还原反应的过电位。但其电流密度过低，难以达到商业应用的要求。

成果速递

近日，加拿大不列颠哥伦比亚大学的Curtis P. Berlinguette和法国巴黎大学的Marc Robert（共同通讯作者）等以商业酞菁钴（CoPc）作为均相电催化剂，在液流电池中电催化CO2还原反应，证明了基于液流电池体系的分子催化剂在CO2还原反应中的可用性。

在这项工作中，研究人员把商业CoPc催化剂固定在阴极的气体扩散层上，并与基于泡沫镍的析氧反应催化剂串联，构成液流电池的完整回路。

当液流电池的电流密度为150 mA/cm2时，CoPc催化CO2还原为CO的选择性高于95%。

当两电极体系的外加电压为2.5 V时，CO2还原生成CO的电流密度为175 mA/cm2。该电压仅比Ag催化剂在同等条件下所需的电压低0.4 V。

基于液流电池的分子催化剂之所以能达到更高的催化电流密度，是由于以下原因：

1. 与通常的电解池相比，液流电池在液相传质动力学上更占优势；

2. 直接向阴极供应CO2气体，克服了CO2气体在水溶液中溶解度低、扩散慢的劣势。

CoPc分子催化剂在液流电池中也表现出更高的电化学稳定性，在50 mA/cm2的高电流密度下能持续工作100 h以上。而在普通电解池中，CoPc只能以10 mA/cm2的低电流密度工作10 h。

值得注意的是，CoPc分子催化剂在液流电池中的工作寿命是由局域质子浓度而不是由催化剂稳定性控制的。

该工作以“Molecular electrocatalysts can mediate fast, selective CO2 reduction in a flow cell”为标题于2019年7月26日发表在国际顶刊Science上。

图文导读

图一、CO2还原生成CO的活性和选择性随电流密度和外加电压的变化趋势

图二、以CoPc作为液流电池中的分子催化剂进行CO2还原反应。

图三、CO2还原为CO的选择性及外加电压随电流密度的变化趋势。

图四、CoPc催化剂的电化学稳定性。（电流密度为50 mA/cm2。）

原文信息

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