在传统的电化学CO2还原反应（CO2RR）中，使用的电解液分为碱性（KOH）、中性（KHCO3）和酸性+盐（H2SO4+K2SO4或KCl）三种类型。在碱性介质中，OH−与CO2的反应导致电解液的pH值迅速下降，长期电解过程中单次通过碳效率（SPCE）低。此外，生成的碳酸盐沉淀物（KHCO3/K2CO3）阻碍了CO2从气扩散层（GDL）向电解液界面的迁移，降低了CO2RR的活性。
（1）传统CO2电解液在碱性条件下易导致pH值下降和碳酸盐沉淀，影响CO2RR效率，需频繁更换增加成本。酸性海水作为电解液避免了pH变化和沉淀问题，减少电解液再生需求。
（2）海水中金属阳离子和氯离子增强CO2RR中间体吸附，提高反应选择性和活性，是低成本高效率的电解液选择。相比传统碱性DI水电解液，酸性海水电解液大幅降低能源消耗和成本，对环境影响小，是可持续的CO2电解解决方案。
基于此，阿德莱德大学乔世璋教授和郑尧教授等人报道了一种电解液，其使用酸性海水（pH<2）作为电化学CO2RR的电解液，这是一种低成本且高效的替代方案，无需额外添加盐分。
（1）在“H2SO4在原始海水”电解液中，铜（Cu）基催化剂的法拉第效率（FE）和C2+的局部电流密度与常规“KOH在去离子水”中的相当，远高于“H2SO4 +盐”体系。
（2）酸性海水中的单次通过碳效率（SPCEs）显著高于碱性去离子水，对于CO和HCOOH的生成在银和锡催化剂上也表现出类似的异常现象。实验证实，海水中的金属阳离子（M）和氯离子（Cl−）通过提高与*CO2−的相互作用以及增强关键CO2RR中间体的吸附强度来促进CO2RR的选择性和活性。
（3）使用酸性海水作为CO2RR电解液与传统的碱性去离子水电解液相比，具有显著的经济和生态优势，能耗和电解液成本大幅降低。研究发现，使用酸性海水的成本远低于传统方法，同时酸性海水电解液的使用减少了对去离子水的需求，减少了环境污染和资源消耗，具有环境友好性。
海水中离子浓度远高于去离子水，尤其是Na+和Cl-离子，对CO2RR活性有积极影响。研究发现，酸性海水成本低，且含有功能性离子，可以大幅降低CO2电解成本。实验表明，酸性海水中不同金属纳米粒子催化剂的法拉第效率与碱性DI水系统中相当，且酸性海水电解液成本远低于碱性DI水。
图1.传统碱性、酸性DI水电解液与酸性海水电解液的性能
在“0.01 M H2SO4的海水”电解液中，Cu催化剂表现出最高的C2+产物法拉第效率（FEC2+），达到42.4%，远高于在“0.01 M H2SO4的去离子水”中的性能。酸性海水中的局部电流密度（|jC2+|）和单次通过碳效率（SPCE）也显著优于碱性去离子水，且Cu催化剂在酸性海水中具有良好的稳定性。
图2. Cu催化剂的CO2还原性能
在“1 M KOH的去离子水”中，C2H4和C2H5OH产品的电解液再生百分比分别为72.5%和62%，“0.01 M H2SO4的海水”中无碳酸氢盐/碳酸盐，无需电解液再生，使得该系统更节能。酸性和碱性电解液中H+和OH-的消耗导致pH值变化，触发电解液再生。“0.01 M H2SO4的海水”电解10 h的电解液成本仅为0.35 AUD，远低于去离子水中的成本。
图3. Cu催化剂在不同电解液中的能耗与成本分析
图4. Cu催化剂的机理研究
测试结果显示，采用DPIPT的电池表现出26.06%的高效率，优于传统perovskite-C结构的23.62%。DPIPT的使用降低了陷阱密度，提高了相纯度，增强了短路电流密度和填充因子。此外，DPIPT电池在大面积和柔性基底上也表现出色，效率分别达到24.65%和25.12%。电荷动力学测试表明，DPIPT有效抑制了载流子复合，减少了非辐射复合，提高了电池的开路电压和稳定性。
图5.金属阳离子和氯离子对Cu催化剂的影响
图6. Ag和Sn催化剂电还原CO2的性能
图7. Ag和Sn催化剂的机理研究
New Insights into CO2 Electroreduction in Acidic Seawater. ACS Catal., 2024, https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05816.
乔世璋，现任澳大利亚阿德莱德大学化学工程与先进材料学院纳米技术首席教授，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、电池等。详见：https://www.adelaide.edu.au/directory/s.qiao.
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