电化学二氧化碳还原反应(CO2RR)通常需要高纯度和高压力的气态CO2作为原料，其实现包括能量密集的步骤，如CO2释放和压缩。一个有效的替代方法是直接使用碳酸氢盐电解槽(BCEs)来整合CO2捕获和电化学还原，避免能量密集的步骤。目前，阻碍BCEs中CO2RR的法拉第效率(FE)的最大挑战之一是实现有效的CO2活化，特别是在低CO2浓度下。提高催化剂位点对CO2的结合能力可以避免CO2从催化剂表面解吸，并抑制氢析出反应(HER)，这对于提高FE具有重要意义。
因此，在直接捕获介质电解中，需要一种策略来调整催化剂对CO2的吸附能，以实现高效率的转化。此外，有限的CO2传质导致CO2与催化剂表面之间的碰撞减少，也导致催化剂表面活性CO2不足。近日，南京大学朱嘉和王晓君等报告了一个分层策略，整合了分子水平和系统水平的设计，以确保在BCE系统的催化剂上有足够的活性CO2。具体而言，在分子水平上，具有较强CO2结合能力的单原子催化剂(CoPc@CNT)促进了CO2的活化和转化；在系统层面上，所设计的BCE装置采用了阴极电解质横流策略，这种设计通过两条不同的流动路径将HCO3−直接引导到膜表面产生CO2，与依赖HCO3−扩散的传统BCEs相比，显著增强了传质。同时，阴极电解质垂直通过阴极电极，不仅消除了催化剂表面的CO2消耗层，而且进一步促进了CO2的传质。得益于单原子分散的CoPc@CNT催化剂和电解质错流协同，这种创新的BCE系统在300 mA cm−2电流密度下的FECO超过96.2%，并且FECO在100 mA cm−2的电流密度和150 mL min-1的流速下稳定超过13小时。反应后催化剂的XRD和拉曼光谱表明，分级BCEs中的CO2RR并没有改变催化剂分子本身的分布，系统的稳定性降低是由于流动引起的催化剂从碳布上脱落所致。此外，与传统的BCEs和CO2气体馈电电解槽相比，该项工作中BCEs的CO2转化总能耗分别降低了36.0%和35.3%。综上，该项工作所设计的分层BCEs在集成的CO2捕获和转换系统中提供了显著的优势，这标志着BCEs在有效捕获废气并将其转化为有价值产品的实际应用方面取得了切实的进展。Hierarchical design enables sufficient activated CO2 for efficient electrolysis of bicarbonate to CO. Joule, 2024. DOI: 10.1016/j.joule.2024.04.006
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