【儀表網 研發快訊】電催化二氧化碳還原(CO2R)是存儲間歇性可再生電能、制備高附加值碳基產品的重要方式。堿性/中性介質中CO2R的法拉第效率(FE)和電流密度雖有顯著提升，但碳酸鹽沉積限制了CO2單程轉化效率(SPCE)；酸性介質雖能避免碳酸鹽生成，卻因析氫反應動力學過快，導致氫氣選擇性極高。目前通過施加安培級電流密度構建局部堿性微環境，并引入高濃度堿金屬陽離子(≥3 M)來活化CO2和抑制析氫反應，但陽離子會阻礙質子向電極表面遷移，導致酸性體系中仍存在CO2利用率受限的問題，且表面碳酸鹽累積還會引發電極穩定性下降。
近日，中國科學技術大學高敏銳和唐凱斌課題組揭示了酸性CO2R中FE和SPCE的固有矛盾，即提升K+濃度雖可增強FE，卻會以犧牲SPCE為代價。為打破FE和SPCE的固有矛盾，研究團隊在SnO2上修飾聚酰亞胺，利用其豐富的胺基動態捕獲質子，成功在pH=1.36、K+濃度低至0.1 M的酸性體系中同時實現了95.7%的SPCE和96%的HCOOH FE。相關成果近日以“Acidic CO2Electrolysis with Near-Ideal Selectivity and Carbon Efficiency Enabled by Overcoming Its Inherent Trade-Off”為題發表于《德國應用化學》上(Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202503539.)。論文的共同第一作者為中國科大博士研究生池麗萍、張玉才和牛壯壯。
圖1.酸性CO2R中FE和SPCE的權衡關系示意圖。
研究人員通過電化學仿真模擬與實驗研究，探索了不同濃度的H+和K+對電極表面微環境(pH、CO2濃度和碳酸鹽比例)和CO2R性能(FE、SPCE和穩定性)的影響，揭示了酸性CO2電解體系中FE和SPCE的固有矛盾，即提升K+濃度雖可增強FE，卻會以犧牲SPCE為代價(圖1)。
為克服酸性CO2R中的內在權衡，研究人員在SnO2納米顆粒上修飾聚酰亞胺(PI-SnO2)，這種耐酸性胺基聚合物可通過其豐富的-N-官能團捕獲H?，從而減少電解液中自由H?濃度。他們通過HER極化曲線、原位拉曼及原位紅外測試(圖2)，證實了聚酰亞胺在酸性CO2電解條件下能有效抑制H?向電極表面擴散，從而提高電極表面局域pH，促進關鍵中間體*OCHO的生成。在300 mA cm??，PI-SnO2實現了96%的HCOOH FE，且在CO2流速為1 sccm下，PI-SnO2的SPCE高達96%，超越了此前報道的堿性、中性和酸性(高K?濃度)條件下的CO2電解性能。
圖2.聚酰亞胺修飾策略調控電極表面局域微環境。
相關研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃等項目的資助。
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