香港中文大学余济美教授，最新AM综述：酸性CO2RR电催化剂！

第一作者：Weixing Wu，Liangpang Xu

通讯作者：Qian Lu, Jimmy C. Yu（余济美）, 王莹

通讯单位：香港中文大学

论文速览

通过可再生能源驱动的电化学CO₂还原反应（CO₂RR）为CO₂的转化和利用提供了一条有希望的途径。然而，广泛使用的中性/碱性电解液在产生（双）碳酸盐副产物时消耗大量CO₂，导致设备层面出现较大挑战，阻碍了该反应的进一步发生。

本论文综述了酸性CO₂RR的最新进展，探讨了在酸性条件下进行CO₂RR的机制、催化剂设计和设备工程。在酸性电解液中进行CO₂RR为解决“碳酸盐问题”提供了有前景的解决方案。

图文导读

图1：酸性CO₂RR催化剂从设计原理到催化剂类别和设备级应用的示意图。

图2：不同产品CO₂RR机制的示意图。

图3：j-BiNSs催化剂的HRTEM图像和HAADF-STEM图像，以及不同Bi晶面的HER和CO₂RR的DFT计算自由能。

图4：Cu纳米针的HAADF-STEM图像，以及表面电场增强而导致的K⁺表面浓度增加的多物理场模拟。

图5：双金属Cu-Bi电催化剂的HRTEM图像，XPS Bi 4f光谱，以及不同Cu催化剂的Tafel图和CO₂-TPD曲线。

图6：75%CuAg催化剂的HAADF STEM图像，以及酸性介质中Cu不同Ag含量的CO利用效率。

图7：Ag@C催化剂的HAADF STEM和HRTEM图像，以及不同电流密度下Ag@C和C@Ag催化剂的FE。

图8：金属-吡啶衍生碳催化剂的制备过程，以及不同金属-吡啶衍生催化剂的CO和H₂的FE。

图9：Ni-SACs的制备过程，AC-HAADF-STEM图像，EXAFS光谱，以及不同温度下Ni-SACs的FE_CO。

图10：PcNi-im, PcNi-pz和PcNi-tfpn的分子结构，以及不同电流密度下PcNi-im, PcNi-pz和PcNi-tfpn在pH 1电解液中的FE_CO。

图11: [Ni(Cyclam)]²⁺分子催化剂的配体修饰示意图，以及在不同pH下[Ni(Cyclam)]²⁺和[Ni(CycCOOH)]²⁺在Hg/Au电极上的CV曲线。

图12: Cu催化剂与CAL的示意图，以及不同电流密度下Cu/PFSA的CO₂RR选择性。

图13: 不同催化电池的示意图。

图14: GDE的示意图，以及Ni-N-C催化剂在酸性MEA电解槽中的性能。

图15: 不同氧化反应的阳极氧化反应图表，以及水、氢、甲醇、乙醇、乙二醇等氧化反应的电位。

总结展望

本论文系统地总结了酸性CO₂RR的研究进展，特别是在催化剂设计和设备工程方面的最新成就。本文强调了在酸性条件下进行CO₂RR的重要性，不仅能够解决碳酸盐问题，还能提高碳的利用率。研究亮点包括：

1、对酸性CO₂RR机制的深入理解，包括反应途径和局部反应环境的影响。

2、介绍了多种高效催化剂的设计策略，如金属催化剂、金属合金、金属-非金属复合材料、单原子催化剂（SACs）、金属有机骨架（MOFs）和共价有机骨架（COFs）。

3、讨论了设备级应用的进展，包括电解槽配置、气体扩散电极（GDE）设计、阳极反应和设计，以及系统的放大。

4、还指出了当前面临的挑战和未来的发展方向，比如提高催化剂的内在活性和稳定性，研究催化剂在酸性CO₂RR中的动态重构，以及深入理解酸性条件下的CO₂RR机制。

文献信息

标题：Addressing the Carbonate Issue: Electrocatalysts for Acidic CO2 Reduction Reaction

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202312894

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