利用可再生電力驅(qū)動(dòng)的CO₂還原為多碳（C₂₊）產(chǎn)物提供了實(shí)現(xiàn)低碳足跡燃料和化學(xué)品的一條有希望的途徑。然而，在堿性和中性反應(yīng)器中，電解液通過(guò)與氫氧化物反應(yīng)形成碳酸鹽/碳酸氫鹽消耗了大部分輸入CO₂（>85%）。酸性條件提供了克服該限制的解決方案，但也促進(jìn)了析氫反應(yīng)（HER）。

基于此，加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent院士和香港中文大學(xué)王瑩教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種在酸性介質(zhì)CO₂RR下表現(xiàn)出更高效率的催化劑。作者引入了雙金屬X-Cu催化劑，可以調(diào)節(jié)局部CO*覆蓋并通過(guò)吸附物-吸附物相互作用抑制H*吸附。作者利用密度泛函理論（DFT）計(jì)算，篩選了對(duì)CO*具有強(qiáng)親和力的不同金屬，發(fā)現(xiàn)Pd-Cu催化劑在酸性介質(zhì)中催化CO₂轉(zhuǎn)化為C₂₊是最有希望的，因?yàn)槠浔憩F(xiàn)出最低的ΔG_OCCOH*，同時(shí)?G_OCCOH*-?G_CHO*最低，表明其對(duì)C₂₊產(chǎn)物具有高活性和選擇性。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，作者將Pd-Cu雙金屬催化劑用于在酸性CO₂RR電解槽中，而該電解槽采用酸性本體環(huán)境，并在催化劑表面產(chǎn)生弱堿性局部環(huán)境的條件下運(yùn)行。這種pH梯度確保局部產(chǎn)生的碳酸鹽被轉(zhuǎn)化為CO₂，以提高碳利用率并促進(jìn)表面C-C耦合以產(chǎn)生C₂₊。

此外，作者展示了液體產(chǎn)品交叉<0.05%，在電流密度為500 mA cm^-2酸性介質(zhì)中，CO₂轉(zhuǎn)化為C₂₊的法拉第效率（FE）為89±4%，單程碳效率為60±2%（考慮總和時(shí)的總CO₂利用率為68±4%，包括C₁和C₂₊產(chǎn)物）。

由可再生電力驅(qū)動(dòng)的CO₂電還原（CO₂RR）合成的乙烯、乙醇等多碳（C₂₊）產(chǎn)物，目前受到了廣泛的關(guān)注。其中，堿性或中性pH電解質(zhì)通常用于抑制競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)（HER），同時(shí)促進(jìn)非均相電催化劑上的C-C偶聯(lián)，而CO₂RR依賴堿性和中性電解質(zhì)會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽的形成。在CO₂RR和HER期間，H⁺的消耗在催化劑表面附近造成局部堿性環(huán)境。此外，碳酸鹽向陽(yáng)極的傳輸和隨后的CO₂演化要求從陽(yáng)極流中分離和回收CO₂，成本高昂。當(dāng)使用C₂₊化學(xué)品時(shí)，至少75%的輸入CO₂被消耗以形成碳酸鹽，而不是被還原，是實(shí)現(xiàn)高效CO₂電解的主要障礙。同時(shí)，液體產(chǎn)品交叉還需要解決：甲酸鹽、醋酸鹽和乙醇通過(guò)遷移、擴(kuò)散和電滲阻力穿過(guò)陰離子交換膜（AEM），導(dǎo)致產(chǎn)物損失。雖然電解質(zhì)中的高質(zhì)子濃度和利用Nafion膜作為分離器，有望最大限度地減少碳酸鹽的形成和液體產(chǎn)物的交叉，但是CO₂RR通常不會(huì)在酸性電解質(zhì)中有效進(jìn)行，尤其是生產(chǎn)C₂₊產(chǎn)物時(shí)。H*，即HER的中間體，在CO₂RR過(guò)程中與活性位點(diǎn)上的CO*吸附競(jìng)爭(zhēng)。

局部物種濃度分布圖

High carbon utilization in CO₂ reduction to multi-carbon products in acidic media. Nature Catalysis, 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00788-1.10.1038/s41929-022-00788-1.