一、無懼【科學背景】

電化學CO₂還原（CO₂R）采用可再生電能為能源，直接將CO₂轉化為燃料和化學原料，催化這為實現“雙碳”目標提供一種新的工業思路。然而迄今為止，廢氣該領域一直專注于高純度CO₂的電化電催化轉化。但是學還從空氣或工業廢氣提取高純度CO₂反應物流的成本很高，需要的原材能量和步驟與電催化轉化一樣多甚至更多。直接空氣捕獲系統可以為后續的料牛CO₂R產生高純度的CO₂，但是無懼成本太高。因此，直接急需開發直接催化高濃度CO₂工業廢氣電化學還原的催化反應。但是工業目前該領域的研究受限于工業廢氣中SO₂，它會迅速且不可逆的廢氣使催化劑中毒。

二、電化【創新成果】

基于以上難題，加拿大多倫多大學David Sinton院士、新西蘭奧克蘭大學王子運教授和上海交通大學李俊副教授（共同通訊作者）以及Edward H. Sargent院士等人在Nature Energy發表了題為“Improving the SO₂tolerance of CO₂reduction electrocatalysts using a polymer/catalyst/ionomer heterojunction design”的論文，揭示了CO₂R共投料SO₂/CO₂時多碳（C₂+）選擇性低的原因，具體為SO₂很容易與催化劑上吸附的氫（*H）發生加氫反應，導致催化劑表面積聚集*H和*S物種，覆蓋活性位點，阻礙了CO₂的吸附，從而引發析氫反應（HER）和C₂+選擇性的下降。受此啟發，研究人員開發一種抗SO₂中毒的催化劑（聚合物/催化劑/離聚物異質結構）。其可在150 h（100 mA cm^-2）內對C₂+產品保持約50%的FE。此外，將該策略擴展到高表面積復合催化劑上，在含有400 ppm SO₂的CO₂氣流中實現了C₂+產品的電化學合成，其FE值高達84%，局部電流密度高達790 mA cm^-2，能源效率為~25%，這一性能與使用純CO₂的最佳值相相當。?

研究人員使用含有微量SO₂（10 ppm）的CO₂氣流（50%，以N₂平衡）進行初始測試表明，在電解后2 h內，低濃度的SO₂將C₂+產物（FE C₂+）的FE從64%降解到36%。在相同的電解條件下，SO₂濃度增加到400 ppm導致FE C₂+在10 min后迅速降低到23%，在2 h進一步下降到11%。

圖1? SO₂中毒機制研究??? 2024 Springer Nature

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研究人員在Cu/PTFE電極上涂上厚度約為10 nm的PFSA離子聚合物薄層，形成平面PFSA@Cu/PTFE電極，用于進行SO₂耐受CO₂電解研究。

圖2 ?在改進的平面Cu電極上進行SO₂耐受CO₂電解? 2024 Springer Nature

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圖3 ?用于CO₂和SO₂共電解的改性塊狀Cu電極的結構和性能? 2024 Springer Nature

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三、【科學啟迪】

本研究表明，CO₂電解不僅可以在存在中毒雜質的情況下進行，而且其性能和穩定性在該領域也能躋身前列。本研究闡明了CO₂R催化劑的SO₂中毒機理，并將結果應用于開發一種抗中毒催化劑。研究人員將這種方法擴展到高表面積催化劑，以證明在高能效和電流密度下運行時的抗雜質能力。在高電流密度下，煙氣的直接轉化解決了捕獲和資本成本問題，從而消除了工業CO₂轉化的兩個關鍵障礙。

原文詳情：Improving the SO₂tolerance of CO₂reduction electrocatalysts using a polymer/catalyst/ionomer heterojunction design (Nature Energy, 2024, DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9)

本文由賽恩斯供稿。