产品官网：http://www.echemstore.cn/
![]()
![]()
第一作者：邓邦为
通讯作者：邓邦为 李怡招 董帆
通讯单位：
电子科技大学长三角研究院（湖州）Do
i:
10.1039/d4sc04283b
1. 全文速览
本文讨论了酸性CO₂RR的主要挑战和最新策略，重点关注三个超越催化剂本身的关键方面：电解液调节、局部催化环境改性和气体扩散电极（GDEs）/电解槽的新设计，并进行总结与展望，以期推动CO2还原走向实际应用。2. 背景介绍
随着全球气候变化问题的日益严峻，二氧化碳（CO₂）的电化学还原（CO₂RR）转化为高附加值化学品提供了实现碳中和的替代途径。然而，传统的中性或碱性电解液系统中，由于CO₂与氢氧根离子之间的酸碱中和反应热力学上更为有利，导致大量CO₂转化为（双）碳酸盐，这限制了单程碳效率（SPCE）理论上的最大值为50%，给实际应用带来了挑战。酸性CO₂RR可以完全规避碳酸盐问题，并理论上实现100% SPCE，近年来受到研究者的广泛关注。然而，酸性CO₂RR在产品选择性、稳定性和能量效率方面仍落后于传统的中性/碱性系统，主要是因为大量H⁺离子的存在加剧了氢进化反应（HER）。值得鼓舞的是，为了解决这些挑战，已经取得了重要突破，许多研究表明，调节局部催化环境可能比催化剂本身更为关键。3. 图文解析
酸性CO₂RR面临的主要技术和经济挑战包括产品选择性差、系统稳定性不足和能量效率低。在酸性环境中，H⁺还原的HER通常占主导地位，使得特定产品的选择性生产变得具有挑战性，尤其是对于高价值的C₂⁺产品如乙烯、乙醇等。如图2a和2b所示，尽管在酸性条件下C₁产品的法拉第效率（FE）与中性和碱性条件相当，但其电流密度显著低于碱性系统。此外，对于C₂⁺产品，无论是电流密度还是FE，都低于中性和碱性系统。这些发现表明，在酸性条件下提高产品选择性仍然是一个研究重点。另一方面，如图2c所示，尽管目前理论上酸性条件能量消耗要低于中性或者碱性，但较低的pH仍然会带来较高的反应过电位，因此在实际应用过程中系统的能量效率仍然面临挑战。![]()
图1 中性、碱性和酸性电解质中CO2电还原反应的最先进性能对比
提升酸性CO₂电化学还原性能的策略
（1）电解液调节
电解液的组成和浓度对于酸性CO₂RR的性能有着重要影响。通过调节电解液中的阳离子和阴离子种类及其浓度，可以有效地调控反应界面的pH值和电场强度，从而影响CO₂的还原反应路径和产物分布。
（2）局部催化环境改性
催化剂表面的改性可以通过引入特定的官能团或者离子来调节局部环境，如通过引入具有缓冲pH效应的阳离子或者通过改变催化剂表面的亲疏水性来优化反应界面的性质。
（3）创新的GDE/电解槽设计
GDE和电解槽的设计对于提高酸性CO₂RR的性能至关重要。通过优化GDE的结构和材料，可以提高气体的扩散效率和反应界面的稳定性。同时，电解槽的设计也需要考虑到反应的均匀性和长期稳定性。
![]()
图2 碱金属阳离子在酸性CO2RR中的机理示意图
4. 总结与展望
尽管酸性CO₂RR在实现高碳效率方面具有潜力，但要实现其工业化应用，仍需克服选择性差、系统稳定性不足和能量效率低等挑战。未来的研究需要在电解液优化、反应界面调控和电解槽设计等方面进行更深入的探索，例如在零间隙MEA电解槽中实现低浓度碱金属离子电解液或纯水电解，在GDE结构上进行创新设计实现长周期稳定运行，将计算模拟与反应器设计深度融合，并且在酸性体系中考虑单程转化率（SPCE）与产物浓度、能量效率等指标的综合经济性，以助力实现酸性CO₂RR的工业化和规模化应用。5. 作者介绍
![]()
邓邦为 电子科技大学长三角研究院（湖州），副研究员，硕士生导师。主要研究方向为环境与能源催化、二氧化碳转化利用。主持国家自然科学基金1项、浙江省自然科学基金1项、湖州市自然科学基金1项以及中国气象局气候资源经济转化重点项目1项，以第一或通讯作者在Angew. Chem., ACS Nano, ACS Catalysis, Science China Chemistry, Chemical Science, Journal of Materials. Chemistry. A等期刊发表SCI论文10余篇，ESI高被引论文2篇，中国化学会热点论文1篇，总被引用1000余次，担任Frontiers in Nanotechnology的客座副主编。本公众号原创内容欢迎转发分享，如需转载，请后台私信。我们对文中观点保持中立，仅供参考交流，不构成投资建议。如涉及版权及其他问题，请联系我们删除，谢谢！
产品官网：http://www.echemstore.cn感谢你读完这篇文章，如果对你有帮助
不要忘记点击“转发+点赞+在看”哦！
