CO2还原反应（CO2RR）是将二氧化碳转化为有价值化学品的重要途径，因其在减少温室气体排放和实现碳中和目标中的潜力，成为了当前研究的热点。然而，CO2RR的效率和选择性受到多个因素的影响，其中气体质量传输机制是关键挑战之一。在传统的批量电池中，气体分布不均和反应界面局限性限制了其反应效率，这也使得在批量电池中获得的催化剂性能难以迁移到高性能流动电池中。
为了解决这一问题，北京大学徐冰君/常晓侠等人提出了通过优化电极结构和提升电解质界面活性来改善CO2RR性能的方案。具体而言，电极与液体表面之间形成的弯月面区域被认为在CO2的传输和反应过程中扮演着重要角色。通过研究这一区域的气体扩散和催化过程，科学家们发现，批量电池中的CO2RR表现与流动电池相似，当反应主要发生在弯月面区域时，两者之间的性能差异显著减小。相关文章在《Science Advances》上发表题为“Bridging activity gaps between batch and flow reactor configurations in the electroreduction of carbon dioxide”的最新论文。
基于这一发现，研究者们开发了一种具有气体通道的双面气体扩散电极，显著提升了CO2RR的电流密度，达到了640 mA/cm²（几何电流密度），在KHCO3电解质中实现了中性缓冲介质下的最高活性。这一成果为CO2RR的高效催化提供了新的思路，也为流动电池的高性能催化剂开发奠定了基础。
（1）实验首次研究了批量电池中弯月面区域对CO2还原反应（CO2RR）性能的影响，发现该区域在CO2RR中发挥了决定性作用，约50%的CO2分子从疏水性气体扩散层（GDL）扩散到催化剂层。
（2）实验通过原位表面增强拉曼光谱（SERS）技术，揭示了弯月面区域独占性地存在COad，而在完全浸没区域，CuOx/(OH)y物种占主导地位，表明CO2的质量传输方式对铜物种的分布具有重要影响。
（3）实验开发了一种组装型双面气体扩散电极（GDE），并通过在KHCO3电解质中测试，成功实现了640 mA/cm²（几何电流密度）的CO2RR部分电流密度，达到了中性缓冲介质中CO2RR的最高活性。
（4）实验表明，批量电池中主要在弯月面区域发生的CO2RR与流动电池中的表现相似，弯月面区域的作用弥合了这两种电池配置之间的性能差距，为催化剂从批量电池向流动电池的转移提供了理论依据和技术路径。
图1 批量反应池中GDE液桥区域的研究。
图2. 在批量电池中对气体扩散机制的研究。
图3. CO2还原反应过程中铜在气体扩散电极(GDE)上的物种分布。
图4. 增强CO2还原反应活性的结构化电极设计。
总之，本研究证明了在批量电池中，弯月面区域在CO2还原反应（CO2RR）中发挥了决定性作用，约50%的CO2分子从疏水性气体扩散层（GDL）扩散到催化剂层。
在批量电池中，只要反应主要发生在弯月面区域，批量电池和流动电池之间的CO2RR性能差异就会大大消失，从而弥合了活性差距，并促进了这些电池配置之间催化研究成果的转移。通过原位表面增强拉曼光谱（SERS）绘图显示，弯月面区域独占性地存在COad，而在完全浸没区域，CuOx/(OH)y占主导地位，表明CO2的质量传输方式对铜物种的分布有重要影响。
基于这些见解，开发了一种组装型GDE架构，采用商业铜微颗粒（Cu MPs），在KHCO3电解质中实现了640 mA/cm²（几何电流密度）的部分电流密度，达到了中性缓冲介质中CO2RR的最高活性，突出了组装型GDE在高性能流动电池中的潜力。除了CO2RR，组装型GDE结构还可以促进其他涉及气-液-固界面的反应，如氢氧化物还原反应（HOR）和氧还原反应（ORR）。
Qiwen Sun et al. ,Bridging activity gaps between batch and flow reactor configurations in the electroreduction of carbon dioxide.Sci. Adv.10,eadp5697(2024).DOI:10.1126/sciadv.adp5697
