研究背景

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研發兼具高活性和高穩定性的CO2還原電催化劑是研究人員孜孜不倦追求的目標。

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基于異相催化的固體電催化劑能在高達150 mA/cm2的電流密度下進行CO2還原，但如何在如此高的電流密度下保持高的穩定性和能量轉化效率仍是一個世界性難題。

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基于均相催化的分子電催化劑則能在CO2還原反應中達到更高的選擇性，并能從分子設計的角度設法降低CO2還原反應的過電位。但其電流密度過低，難以達到商業應用的要求。

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成果速遞

近日，加拿大不列顛哥倫比亞大學的Curtis P. Berlinguette和法國巴黎大學的Marc Robert（共同通訊作者）等以商業酞菁鈷（CoPc）作為均相電催化劑，在液流電池中電催化CO2還原反應，證明了基于液流電池體系的分子催化劑在CO2還原反應中的可用性。

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在這項工作中，研究人員把商業CoPc催化劑固定在陰極的氣體擴散層上，并與基于泡沫鎳的析氧反應催化劑串聯，構成液流電池的完整回路。

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當液流電池的電流密度為150 mA/cm2時，CoPc催化CO2還原為CO的選擇性高于95%。

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當兩電極體系的外加電壓為2.5 V時，CO2還原生成CO的電流密度為175 mA/cm2。該電壓僅比Ag催化劑在同等條件下所需的電壓低0.4 V。

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基于液流電池的分子催化劑之所以能達到更高的催化電流密度，是由于以下原因：

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1. 與通常的電解池相比，液流電池在液相傳質動力學上更占優勢；

2. 直接向陰極供應CO2氣體，克服了CO2氣體在水溶液中溶解度低、擴散慢的劣勢。

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CoPc分子催化劑在液流電池中也表現出更高的電化學穩定性，在50 mA/cm2的高電流密度下能持續工作100 h以上。而在普通電解池中，CoPc只能以10 mA/cm2的低電流密度工作10 h。

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值得注意的是，CoPc分子催化劑在液流電池中的工作壽命是由局域質子濃度而不是由催化劑穩定性控制的。

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該工作以“Molecular electrocatalysts can mediate fast, selective CO2 reduction in a flow cell”為標題于2019年7月26日發表在國際頂刊Science上。

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圖文導讀

圖一、CO2還原生成CO的活性和選擇性隨電流密度和外加電壓的變化趨勢

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圖二、以CoPc作為液流電池中的分子催化劑進行CO2還原反應。

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圖三、CO2還原為CO的選擇性及外加電壓隨電流密度的變化趨勢。

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圖四、CoPc催化劑的電化學穩定性。（電流密度為50 mA/cm2。）

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原文信息

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