【儀表網 研發快訊】通過CO2電還原(eCO2RR)將溫室氣體CO2轉化為CO的經濟價值較高，產物在化學工業制備燃料方面具有廣泛的應用前景。然而，高效的eCO2RR制CO過程通常需要使用金(Au)、銀(Ag)和鈀(Pd)等貴金屬催化劑，而貴金屬的稀缺性和高成本限制了廣泛應用。鋅(Zn)作為一種成本效益更高的經濟替代品，因其在地殼中的高豐度、結構形貌可調性以及在eCO2RR中對CO的選擇性而受到較多的關注，然而現有Zn基催化劑的選擇性、催化活性和穩定性都有待提高。
針對上述問題，中國科學院上海高等研究院(以下簡稱“上海高研院”)魏偉、陳為研究員團隊設計了氧化物衍生的鋅中空纖維透散電極，系統研究了電極結構設計與透散效應改善局部微環境，實現具有可觀應用前景的安培級CO2電還原。研究成果以“Zinc Hollow-Fiber Penetration Electrode Promotes Ampere-Level CO2 Electroreduction for Viable Applications”為題在線發表于催化期刊ACS Catalysis。
研究人員開發了一種新型Zn HPE材料具有優良的eCO2RR制CO性能，在800 mA cm−2電流密度下運行110小時，CO法拉第效率仍能維持90%。經濟性評估表明，每噸CO的電極材料成本僅為58.01美元，總成本降至385.53美元/噸，綜合性能優于最近報道的具有代表性的先進電催化劑。實驗數據和理論模型相結合，證實Zn HPE的透散模式通過多孔壁強制CO2向電解液透散，顯著提高了CO2的溶解速率和局部富集濃度，從而大幅提升了CO2傳質效率，使eCO2RR在高電流密度下保持高效運行。DFT計算表明，局部高CO2覆蓋度可降低關鍵中間體形成能壘，增強CO選擇性的同時有效抑制HER。
該工作為推進鋅基電催化劑工業級CO2轉化系統的高效運行提供了新思路。論文第一作者為上海科技大學與上海高研院聯合培養博士生劉小虎、上海高研院李守杰副研究員和陳奧輝博士后，通訊作者為上海高研院董笑副研究員、陳為研究員和魏偉研究員。上述研究得到了中國科學院先導專項、國家自然科學基金、科技部催化科學重點專項、上海市科技委員會碳中和項目以及內蒙科技廳重大項目等經費支持。(圖/文 劉小虎、董笑、陳為)
鋅中空纖維電極透散效應的氣液固三相界面反應強化機制示意圖
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