目前，電化學CO₂還原反應（CO₂RR）的大部分研究都將CO₂單次轉換效率（SPCE）確定為技術實際部署的關鍵性能指標，但是最近有報道稱CO₂RR中的高SPCE通常是以更高的電池電壓或降低產物選擇性為代價的。基于此，萊斯大學汪淏田教授（通訊作者）等人報道了使用多孔固態電解質（PSE）反應器實現高CO₂ SPCE到高純度甲酸（HCOOH），同時保持電池電壓和HCOOH的法拉第效率（FE）。作者成功地回收了PSE系統中的碳損失，在電流密度為100 mA cm^-2下達到95.1±1.7%的CO₂轉化為HCOOH的SPCE，并證明了100 h的穩定運行。

為擴大CO₂RR技術的適用性，作者演示了通過電化學連續CO₂捕獲-CO₂還原系統將連續模擬煙氣（10% CO₂, 10% O₂，平衡N₂）轉化為高純度甲酸，CO₂ SPCE達到80%以上。PSE設計能夠實現本研究中的應用，但在電化學反應器中加入額外的一層會引入電阻損耗，從而降低整體能效。未來的PSE設計應該以減少中間層厚度為目標，可能是通過結合在電去離子領域開發的樹脂晶圓，同時也要專注于創造更具離子導電性的PSE層。

相關工作以《Electrochemical CO₂ Reduction to Formic Acid with High Carbon Efficiency》為題發表在最新一期《ACS Energy Letters》上。

汪淏田，1990年出生于安徽省宿松縣，2011年本科畢業于中國科學技術大學物理系，2016年博士畢業于斯坦福大學取得應用物理系（導師崔屹院士）。在讀博期間，他提出了一種獨特的系統性“電化學調控”方法，可有效提高水分解和燃料電池催化劑的催化性能。在博士畢業后，他從兩三百位申請者中脫穎而出，跳過了博士后階段，直接進入哈佛大學羅蘭研究所擔任研究員，正式開啟了自己的獨立研究生涯。兩年之后，進入美國萊斯大學化學與生物分子工程系任教。目前，汪淏田教授擔任國際知名期刊《Nano Letters》副主編。課題組主頁：https://wang.rice.edu。

據網頁搜索，汪淏田教授目前已在《Nature》系列雜志發表文章超過30篇！

在PSE反應器中，BOON催化劑被證明對HCOOH具有高活性和選擇性，HCOOH是NMR檢測到的唯一液體產物。在電池電壓低于3.7 V下，其電流密度為200 mA cm^-2，同時HCOOH法拉第效率（FE）保持在85%以上。當輸入CO₂流量為20 SCCM時，在200 mA cm^-2下觀察到的最大CO₂ SPCE低于17%。使用AEI后，在CO₂輸入1.65 SCCM（HCOOH FE為65.9%）時，最大CO₂ SPCE達到76.8%，而使用CEI時為68.7%的CO₂ SPCE（HCOOH FE為59%）。在最佳粘結劑（AEI）和催化劑負載量（1 mg cm^-2）的情況下，CO₂ SPCE從34.3%提高到76.8%，CO₂的輸入從5.14 SCCM降低到1.65 SCCM。

圖1.比較不同CO₂RR電解槽用于生產液體產品

圖2.不回收CO₂下PSE反應器中電化學CO₂RR性能

在100 mA cm^-2下，PSE反應器中HCOOH FE保持在80%以上，而輸入的CO₂氣體流速從5.14 SCCM降低到1.65 SCCM，表明即使在減少CO₂氣體輸入的情況下，從中間層回收CO₂也可以實現高HCOOH FE。與在1.65 SCCM的CO₂輸入下，使用PSE反應器回收CO₂損失的最大CO₂ SPCE為95.1±1.7%（不回收時為76.8±2.6%），HCOOH FE為80.8±1.4%（不回收時為65.9±2.3%）。對于PSE CO₂回收系統在100 h（5個20 h循環）內表現出出色的穩定性，HCOOH FE始終保持在80-95%，CO₂ SPCE始終保持在47-55%。

圖3. PSE反應器的電化學性能

在1 cm²的活性區域，總CO₂輸入為100 SCCM，將電流密度增加到150 mA cm^-2時，BOON催化劑可以在-0.95 V下提供高達150 mA cm^-2的電流密度，HCOO^–的FE為86%。將施加的電流密度固定在100 mA cm^-2，并通過引入CO₂和Ar的混合物，改變輸入氣體CO₂濃度，從100%到10%，可以產生高純度甲酸。在100 mA cm^-2下，將CO₂濃度從100%降低到10%，導致HER從~3%增加到~14%，CO₂RR相應降低。

圖4.存在O₂和低CO₂濃度對電化學CO₂RR性能的影響

作者引入了一個順序系統，首先將模擬煙氣送入CO₂捕獲PSE電解槽，該電解槽不斷從中間層釋放純CO₂氣體，然后將其送入CO₂還原PSE電解槽，該電解槽產生高純度甲酸，同時回收CO₂損失，以實現高CO₂ SPCE。該系統將煙氣轉化為甲酸，ORR/OER電池的工作電流為50 mA cm^-2（總電流為312.5 mA），捕獲的CO₂氣體被送入CO₂RR電池，工作電流為100 mA cm^-2（總電流為256 mA）。

在第一次CO₂RR循環之前，CO₂捕獲系統的碳酸鹽FE測量值為79.2%，對應于CO₂RR電池的輸入CO₂流量為1.88 SCCM。在測試開始時，初始CO₂ SPCE為88.4%，但在第一次循環結束時下降到71.9%。在第二次循環中輸入1.72 SCCM的CO₂，CO₂RR PSE在循環開始時也提供了85.6%的高CO₂ SPCE，然后下降到74.3%。在第三個循環之前，CO₂捕獲性能下降到69.7%的碳酸鹽FE，轉化為CO₂RR反應器的CO₂輸入量為1.65 SCCM。總之，只要有足夠的CO₂輸入，CO₂RR轉化為HCOOH帶CO₂回收的PSE就可以穩定運行。

圖5.連續CO₂捕獲-CO₂還原順序系統的演示

Electrochemical CO₂ Reduction to Formic Acid with High Carbon Efficiency. ACS Energy Letters, 2024,