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甲酸是一种广泛应用的化学原料和潜在的化学燃料，其生产过程通常涉及能耗高的CO₂捕集和分离工艺。为解决传统电解过程中能量消耗和成本问题，研究团队开发了一种基于聚离子液体（PIL）的电催化CO₂还原反应（CO₂RR）策略，利用二氧化碳还原制备高纯度甲酸。该方法通过使用固态电解质电解槽（SSE），实现了从烟气直接连续制备纯甲酸溶液。
成果简介
该研究设计了一种铋基-聚离子液体（Bi-PIL）复合催化剂，通过调节PIL骨架中的双苯基结构来提高疏水性，从而缓解长时间电解中电极的洪泛问题。Bi-PIL复合催化剂在CO₂浓度低至15%的烟气条件下，表现出超过90%的甲酸生成法拉第效率（FE），并在固态电解质（SSE）电解槽中成功实现了纯甲酸溶液的连续制备。通过技术经济分析，该集成工艺显著降低了与传统方法相比的生产成本。
研究亮点
CO₂吸附和催化性能提升：通过PIL的分子设计显著增强了CO₂的富集能力和还原速率，降低了*CO₂氢化的活化能垒。
固态电解质电解槽：采用固态电解质层（SSE）替代传统液态电解质，实现了甲酸的直接高效制备，消除了产品分离步骤的能耗。
高效处理低浓度CO₂：Bi-PIL复合催化剂在烟气条件下（15% CO₂浓度）仍保持高达92.5%的甲酸生成效率。
显著降低生产成本：集成工艺不仅提高了CO₂的利用率，还消除了能耗高的捕集和分离步骤，使得甲酸的生产成本降低约50%。
配图精析
图1：展示了传统分离流程和基于固态电解质反应器的集成工艺。传统工艺需要通过多个中间步骤来实现CO₂捕集和产品分离，而集成工艺能够直接利用烟气作为原料，通过固态电解质电解槽生产纯甲酸溶液。该图清晰地展示了集成工艺在减少步骤和能耗方面的优势。
图2：Bi-PIL催化剂的合成示意图及其形貌表征，包括了Bi NPs、Bi-PIL-(VIm-Bu)、Bi-PIL-(VIm-Ph)、Bi-PIL-(VIm-Ph)-DVB的SEM图像。通过对比可以看出，PIL涂层对Bi NPs的形貌产生了显著影响，并通过插入图展示了不同Bi-PIL样品的接触角。
图3：Bi-PIL催化剂的XRD、XPS、FT-IR等多种表征图谱，揭示了不同催化剂样品在材料组成和表面化学结构方面的差异。特别是Bi-PIL-(VIm-Ph)-DVB的CO₂吸附等温线显示了其在298K下出色的CO₂吸附性能，相比其他样品有显著提高。
图4：Bi-PIL催化剂在纯CO₂和烟气条件下的电催化CO₂还原反应性能，图中包括甲酸生成的法拉第效率（FEHCOOH）和电流密度（jHCOOH）的对比。Bi-PIL-(VIm-Ph)-DVB在烟气条件下仍然保持高效的CO₂还原活性，表明其在低浓度CO₂条件下的出色性能。
图5：DFT计算结果展示了PIL涂层对CO₂吸附和活化的理论预测，图中显示了PIL涂层如何降低CO₂的吸附能和活化能垒，从而提高了CO₂转化为甲酸的效率。通过电子密度差的图示，说明了PIL涂层在CO₂还原过程中对反应界面的促进作用。
图6：Bi-PIL催化剂在固态电解质电解槽中的长期稳定性测试结果，展示了该系统在烟气条件下长时间连续电解生成纯甲酸溶液的能力。图中包括了甲酸浓度随电流密度的变化，以及在60小时稳定电解后的电池电压和法拉第效率的表现。
展望
该研究通过聚离子液体的分子设计，成功开发了一种高效的烟气制甲酸集成工艺，为低浓度CO₂的电化学转化提供了新思路。未来的研究将进一步优化PIL结构，并探索其在其他液体燃料制备中的潜力。
文献信息
期刊：Advanced Materials
DOI：10.1002/adma.202409390
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202409390
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