大氣中二氧化碳（CO2）的濃度持續(xù)增加，使得環(huán)境災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，CO2回收及轉(zhuǎn)化利用亟需進(jìn)一步的研究和發(fā)展。大規(guī)模CO2電催化還原技術(shù)（CO2RR）將CO2轉(zhuǎn)化升級(jí)為高附加值的碳基化學(xué)品和燃料，同時(shí)耦合間歇性的風(fēng)能或太陽(yáng)能，可以實(shí)現(xiàn)新能源的調(diào)峰和長(zhǎng)期儲(chǔ)存，形成可持續(xù)的人工碳循環(huán)系統(tǒng)，服務(wù)于我國(guó)“30-60雙碳”目標(biāo)。

加拿大滑鐵盧大學(xué)陳忠偉院士、余愛(ài)萍教授和華南師范大學(xué)王新研究員團(tuán)隊(duì)在電催化流動(dòng)池的研究中取得了重大進(jìn)展，他們?cè)凇禢ature Energy》中提出了一種新型流動(dòng)電解池，利用CO2飽和的全液相陰極液對(duì)流流經(jīng)過(guò)多孔電極，原位生成CO2（g）-液體-催化劑三相界面，降低傳質(zhì)邊界層厚度到1.5 μm 以下，以便同時(shí)提升CO2、電子（electrons）、質(zhì)子（protons）和產(chǎn)物（products）的傳遞轉(zhuǎn)移（CEPP transfer），實(shí)現(xiàn)利用原位電沉積的銀陰極和商用泡沫鎳陽(yáng)極在100 cm2的流動(dòng)電解池中高效穩(wěn)定轉(zhuǎn)化CO2為CO，并放大組裝了4×100 cm2的商用電堆，CO產(chǎn)率可達(dá)90.6 ± 4.0 L/h，而且這種氣體原位出溶電解池成功拓展到銅基陰極并高效合成C2+產(chǎn)物。

圖1. CEPP 傳遞轉(zhuǎn)移和CO2原位出溶電解池的動(dòng)態(tài)三相界面概念。因?yàn)楫?dāng)電流密度進(jìn)一步增大時(shí)，反應(yīng)會(huì)受到傳質(zhì)的限制，因此，理想的電極結(jié)構(gòu)需要平衡反應(yīng)物進(jìn)料、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和產(chǎn)物排出等因素。具體而言，這些過(guò)程在很大程度上依賴于CEPP 傳遞轉(zhuǎn)移的共同提升，因?yàn)镃O2RR涉及多個(gè)協(xié)同的質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移（xCO2?+?ne￣?+?nH+ = CxHyOz?+?mH2O）。因此，降低電解液流動(dòng)邊界層和局部微環(huán)境中各種物質(zhì)的濃度梯度至關(guān)重要（例如，反應(yīng)物：CO2 和 H+，產(chǎn)物：CO、H2等其他CxHyOz物質(zhì)，以及電解質(zhì)中其他離子 HCO3￣、OH￣和堿金屬陽(yáng)離子等）。

圖2. CO2原位出溶電解池的結(jié)構(gòu)和機(jī)理。

氣體原位出溶過(guò)程利用了流體動(dòng)力學(xué)中的伯努利原理，液相電解液從孔腔流到孔喉時(shí)，由于流通截面積減小，使得流速增大，局部壓力降低，從而氣態(tài)CO2分子容易從電解液中溶解的CO2和碳酸氫根中出溶析出，從而在反應(yīng)界面處提供充足的CO2供給，此外，全液相進(jìn)料保證了高離子導(dǎo)電性和質(zhì)子供給率，同時(shí)促進(jìn)CEPP的傳遞轉(zhuǎn)移。同時(shí)根據(jù)達(dá)西定律，陰極中電解液流速的增加進(jìn)一步強(qiáng)化了這種局部壓力的變化，放大了該氣體原位出溶現(xiàn)象。

圖3. 流場(chǎng)可視化分析。

采用二維多物理場(chǎng)模型模擬了不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)在CO2RR反應(yīng)中的電極周圍的局部微環(huán)境。大量OH￣ 離子在催化劑表面產(chǎn)生，由于離子的傳輸限制，電解液中的緩沖反應(yīng)無(wú)法快速平衡，導(dǎo)致電極/電解質(zhì)界面附近的pH值極大升高。通過(guò)減薄的擴(kuò)散層可以有效降低物質(zhì)濃度梯度來(lái)加速緩沖反應(yīng)，并將局部pH值維持在9左右，從而解決了pH升高的問(wèn)題，并有助于CO2RR的進(jìn)行。

圖4. 電解池的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5. 氣體原位出溶電解池性能對(duì)比。

我們使用Ag基陰極催化劑組裝了五類電解池，通過(guò)對(duì)比，氣體原位出溶電解池不僅具有更高的電流密度，但也有更寬的電位窗口，表明了其同時(shí)強(qiáng)化了CEPP傳遞轉(zhuǎn)移和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。此外，這種電極結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了反應(yīng)物與催化劑的界面，消除電極結(jié)構(gòu)中的停滯區(qū)，充分發(fā)揮催化劑本征性能。

圖6. 氣體原位出溶概念擴(kuò)展到4×100 cm2電堆和Cu基催化劑合成C2+產(chǎn)物。

氣體原位出溶概念也成功組裝了電堆，由四個(gè)模塊化單元組成。電堆在電壓為14 V時(shí)總電流可達(dá)59.0 ± 2.6 A，CO產(chǎn)率在最初的120分鐘內(nèi)保持在90 L/h左右，為CO2回收轉(zhuǎn)化的規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用提供了一個(gè)選擇方法。總體而言，這項(xiàng)研究提供了一種具備超高收率的新型氣體原位出溶電解池，為大型電化學(xué)轉(zhuǎn)化裝置的設(shè)計(jì)提供了新思路，構(gòu)筑了商業(yè)應(yīng)用和基礎(chǔ)研究之間的橋梁。