陈为/魏伟EES：构建中空纤维Cu渗透电极，实现强酸中选择性CO2电还原为C2+

可再生电力驱动的二氧化碳电还原反应(CO₂ERR)为减少温室气体排放的同时生产高附加值化学品提供了可持续的途径。在碱性/中性CO₂ERR过程中，H⁺的消耗导致局部碱性环境形成碳酸盐，从而将CO₂转化为C₂₊的效率限制在25%以内。同时，碳酸盐的形成可能会阻断CO₂的转运通道，严重影响CO₂ERR的稳定性，这些因素极大地限制了碱性/中性CO₂ERR系统的工业应用。酸性电解质中的CO₂ERR能够消除碳酸盐的形成，从而促进CO₂的有效利用。然而，由于HER在酸性环境中更有利，因此抑制HER和激活CO₂ERR至关重要。

基于气体扩散电极的电解池(GDE)已被证明能达到安培水平的电流密度，并且溶液的整体酸度可显著抑制碳酸盐形成，在局部高碱性微环境中仍可获得高碳效率的C₂₊产物。虽然GDE通过在水体系中构建三相界面表现出较高的CO₂输运效率，但电解质流动降低了界面的稳定性和催化选择性，在长期电解过程中，整体粘结剂会老化和松动，影响电极体系的稳定性。因此，合理设计在强酸工业电流密度下具有高碳效率的电极体系至关重要。

近日，中国科学院上海高等研究院陈为和魏伟等报道了一种中空纤维穿透Cu电极(Cu HPE)，其能够在0.1~3.0 A cm⁻²的电流密度范围内将CO₂电还原为C₂₊产物。由于局部质子消耗速率超过了体相质子的物质传输速率，在高电流密度下电极附近的局部碱性环境为促进CO₂ERR和抑制HER提供了有利的动力学。

实验结果表明，研究人员在pH为0.71的H₂SO₄和KCl溶液中实现了高选择性、高效和稳定的CO₂ERR。具体而言，C₂₊产物的法拉第效率(FE)高达73.4%，部分电流密度为2.2 A cm⁻²，单通碳效率(SPCE)为51.8%；并且该电极能够持续电解100小时，接近甚至优于最先进的Cu基催化剂。

原位光谱表征和理论计算表明，Cu HPE的中空纤维渗透结构大大提高了强酸中Cu活性位点的CO₂覆盖率，实现了充分和连续的CO₂供给。因此，CO₂的激活和关键中间体*CHO和*CO的形成都更有利，并且H⁺和K⁺在Cu位点的共吸附在动力学上优先促进*CO的质子化，在热力学上有利于C−C偶联生成C₂₊产物。

综上，该项工作所提出的电极结构工程策略为在酸性介质中实现高效、稳定的CO₂ERR和进一步开发工业上可行的CO₂电催化剂提供了思路。

Selective CO₂ electroreduction to multicarbon products exceeding 2 A cm^-2 in strong acid via a hollow-fiber Cu penetration electrode. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE02867D