国国产自偷自偷免费一区,噜噜噜精品欧美成人av,妺妺窝人体色www美女

成果介紹

CO₂還原反應(CO₂RR)是指利用可再生電力將CO₂轉化為高附加價值的化學品和燃料。對于CO₂RR電解槽，必須同時管理電子、水、二氧化碳和陰極質子的傳輸。氣體擴散電極(GDEs)和聚合物電解質膜(PEMs)被用來調節這些關鍵過程。因此，設計和開發適用于CO₂RR電解槽的GDEs和膜是至關重要的。

不列顛哥倫比亞大學Curtis P. Berlinguette課題組詳細討論了GDEs和PEMs的性質對CO₂RR電解的影響。通過概述可用于促進CO₂RR的有利化學環境的PEMs和GDEs的關鍵特性，這些設計原則為開發用于高效CO₂RR電解槽的新材料提供了思考。相關工作以《Gas diffusion electrodes and membranes for CO₂?reduction electrolysers》為題在《Nature Reviews Materials》上發表綜述。

圖文介紹

IF超過66，Nature Reviews Materials最新綜述：高效CO2RR電解槽該如何設計？

圖1. 通過GDEs和膜管理傳質和反應來調節電解槽中的CO₂RR

為使得能夠將反應物連續地傳遞到陽極和陰極，對CO₂RR電解槽的設計必須考慮幾個不同的因素。例如，高摩爾流量的CO₂通入電解槽，雖然有利于提高CO₂RR產物形成速率，但降低了實際轉化為產物的CO₂的比例，因此，單次轉換效率較低。為了實現高的FEs和低的電解電壓，電催化劑上也需要足夠數量的水，但是太多的水會抑制CO₂接觸電極，從而淹沒電極。電解槽不僅需要將這些反應物適當地輸送到導電電極上，而且還必須介導OH^–和其他反應產物從系統中釋放出去。所有這些動態過程都需要在控制電極pH值的同時進行管理：酸性條件有利于析氫反應(HER)，而堿性條件有利于催化非活性碳酸鹽的形成。由HER導致FE降低以及碳酸鹽的形成，都會導致電解質污染、鹽沉淀，最終導致電解槽失效。

氣體擴散電極(GDEs)和聚合物電解質膜(PEMs)被用來調節這些關鍵過程。GDEs是負載電催化劑的多孔電極，而PEMs是在電極之間導電的聚合物材料。在此，本文將詳細介紹陰極GDE和PEM的性質對CO₂RR電解槽內化學環境的影響，以及這些微調的化學環境對電解槽性能的影響。

IF超過66，Nature Reviews Materials最新綜述：高效CO2RR電解槽該如何設計？

圖2. 通過氣體擴散電極的性質來調節電催化劑周圍的化學環境

GDEs是一類具有高比表面積的多孔電極。在CO₂RR電解槽中，常使用燃料電池中常見的制造技術來制備GDEs，其中納米電極電催化劑和粘合劑作為多孔催化劑層沉積在氣體擴散層(GDL)載體上。CO₂RR電解槽中，最常見的GDL結構是由微孔層和碳纖維層組成。每個GDE層的結構和組成影響著反應物和產物在電解槽的傳輸。這些傳輸過程會影響電催化劑上化學物質的積累或消耗，從而影響CO₂RR電解槽的性能。

在這，作者先討論GDE性質對CO₂輸運和局部pH值的影響。眾所周知，電催化劑表面CO₂濃度影響CO₂RR速率和選擇性。當陰極缺乏CO₂時，HER比CO₂RR更有利。較薄的GDE催化劑層可通過提高催化劑層中CO₂的相對濃度來抑制HER。這種設計特性使CO₂從流道擴散到電催化劑表面的距離最小化，從而提高CO₂RR速率。然而，電催化劑上濃度過高的CO₂會降低多碳產物的生成速率，因為CO₂和化學中間體CO會競爭結合位點。在這種情況下，較厚的GDE催化劑層已經被證明可以通過減緩局部的CO₂濃度來增加多碳生成速率。

高氣體滲透率的聚合物添加劑也可增加GDEs中CO₂的擴散速率。在GDE催化劑層中加入全氟磺酸(PFSA)離聚物可以將CO₂的傳輸速率提高400倍。這種更快的傳質歸因于PFSA離聚物的相分離形態。這些GDE催化劑層的傳質動力學得到改善，可使CO₂RR偏電流密度超過1 A cm^-2。

GDE催化劑層的性質也會影響氫氧化物的遷移，從而影響局部pH值。較厚的催化劑層常被用來阻止氫氧根從電催化劑上轉移，以增加局部的pH值并抑制HER。然而，催化劑層的高pH值會導致碳酸鹽的形成，從而降低CO₂的利用。

此外，GDE的設計也需要考慮水傳輸管理。陰極中過量的水會擾亂GDEs內的氣液相平衡，從而抑制CO₂RR。在理想的條件下，CO₂通過涂有電解質薄膜的催化劑層孔進行流動。然而，當GDE孔隙被水淹沒時，CO₂的擴散受到阻礙。在進行CO₂RR時，GDE的疏水性也會發生急劇下降(稱為電潤濕)。相反，當GDE孔隙過于干燥時，由于缺乏離子傳遞途徑，電催化劑的活性也受到抑制。潤濕程度取決于GDE的結構和性質。例如，聚四氟乙烯(PTFE)是一種疏水聚合物，這種材料有效地緩解了GDL的水淹現象，提高了CO₂RR的活性。

IF超過66，Nature Reviews Materials最新綜述：高效CO2RR電解槽該如何設計？

圖3. PEM的性質影響著陰極化學和CO₂RR電解槽的效率

PEMs在CO₂RR電解槽內的電極之間起著傳導離子和水的作用。為了最大限度地提高CO₂RR電解槽的效率和耐久性，對PEMs的一些特性也提出了要求。例如，耐用且表現出高離子電導率(σ)的PEMs對于最大限度地減少能量損失和延長電解槽壽命至關重要。此外，高效的水傳輸和低吸水特性是維持膜水化而不影響滲透選擇性或機械完整性所必需的。

首先，PEM的電導率由通過膜傳輸的離子的遷移率所決定。例如，陽離子交換膜(CEMs)因具有高的H⁺傳導性而表現出高電導率(100 mS cm^-1)和低的歐姆損耗。這使得它們已成功被應用于氫燃料電池與電解水領域。但CEMs不太適合在CO₂RR電解槽中使用，因為它們在陽極和陰極所提供的酸性條件會有利于HER。此外，酸性條件下陽極也需要昂貴的貴金屬電催化劑(如銥和釕)來促進析氧反應。相比之下，陰離子交換膜(AEMs)比CEMs更廣泛地應用于CO₂RR電解槽。在使用銅催化劑時，AEMs使陰極pH值升高，抑制了HER，促進了乙烯和其他多碳產物的生成。然而，OH^–經常在CO₂RR電解槽的堿性陰極室中與CO₂反應生成碳酸鹽。

PEM的水傳輸：基于PFSA的CEMs是機械輕度較高的膜，可以有效地輸送水。CEMs的這些有利性質歸因于它們的相分離形態。然而，被更廣泛地應用于CO₂RR電解槽的AEMs，卻很少表現出明顯的相分離形態。因此，AEMs輸送水的效率通常低于CEMs。此外，由于吸水率更高，AEMs的機械穩定性通常比CEMs差。

通過控制AEMs的特性，以調節到CO₂RR電解槽陰極的凈水通量。具有高水吸收率的AEMs降低了陰極的凈水通量，減緩了GDE水淹。更薄的AEMs也緩解了水淹現象，并在較低的電位下產生較高的CO₂RR活性。盡管如此，基于AEMs的陰極設計策略仍然受到了低的機械穩定性的限制。

IF超過66，Nature Reviews Materials最新綜述：高效CO2RR電解槽該如何設計？

圖4. 零隙膜CO₂RR電解槽中的CO₂轉移

CO₂RR要求在電催化劑表面附近共存CO₂、水和OH^–。然而，與GDE相關的大多數問題都是由這些化學物質(例如，碳酸鹽和水淹)之間的有害相互作用引起的。一個高效的CO₂RR電解槽必須被設計成能夠精細地協調產品和反應物在電催化劑上的傳輸。

具有獨特親水和疏水結構域的離聚物可以促進CO₂和水在催化劑層中的解耦傳輸。PFSA離聚物表現出這種理想的相分離形態，并通過形成CO₂和水傳輸的分離途徑，使CO₂RR電流密度率達到>1 A cm^-2。然而，PFSA離聚物中存在的固定電荷，會抑制OH^–在電催化劑上轉移，從而提高了催化劑層的局部pH值。盡管PFSA離聚物的這一方面對于提高局部pH值和抑制HER是可取的，但它也加劇了CO₂形成碳酸鹽。相比之下，AEM離聚物能夠有效地將OH^–從電催化劑中轉移出去。挑戰在于AEM離聚物比PFSA離聚物表現出更低的CO₂滲透率，因為AEM往往缺乏理想的相分離。

含有與電催化劑密切接觸的PFSA和AEM離聚物的催化劑層可以利用各自材料的優點。原則上，PFSA離聚物的存在會增強CO₂和水的輸送，同時抑制OH^–的去除。而AEM離聚物的作用是調節電催化劑上形成的OH^–的去除，以減緩碳酸鹽的形成。此外，通過對帶電官能團的合成修飾，可以賦予離聚物共催化功能。通過調節離聚物的性質，也可以減少抑制CO₂RR的O₂雜質的擴散。因此，AEM和PFSA可以串聯使用來控制催化劑層的化學環境和電解槽的性能。盡管如此，很少有將AEM離聚物進行溶解、用于沉積PFSA離聚物的低沸點溶劑，這可能對同時使用PFSA和AEM離聚物制備催化劑層構成挑戰。

文獻信息

Gas diffusion electrodes and membranes for CO₂?reduction electrolysers，Nature Reviews Materials，2021.

https://www.nature.com/articles/s41578-021-00356-2

原創文章，作者：Gloria，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/11/420dc6b9a3/

末成年小嫩xb,嫰bbb槡bbbb槡bbbb,免费无人区码卡密,成全高清mv电影免费观看

IF超過66，Nature Reviews Materials最新綜述：高效CO2RR電解槽該如何設計？

相關推薦

IF超過66，Nature Reviews Materials最新綜述：高效CO2RR電解槽該如何設計？