CO2电解技术(eCO2RR)预计将通过消除过量的CO2来帮助实现全球碳中和目标。通过催化剂设计、微环境调节和反应器改造，碱性eCO2RR在电流密度、选择性和能量转换效率方面取得了进展。然而，由于CO2气体与OH−离子和碱性阳离子反应产生碳酸盐/碳酸氢盐会覆盖电极表面，堵塞气体扩散层(GDL)的孔隙，导致CO2电解单程转化效率(SPCE)降低，从而损害了CO2电解系统的耐久性。因此，必须选择具有适当pH值的电解质，以获得CO2 SPCE和产品选择性之间的最佳平衡，这与电催化剂、电解槽和产品价值高度相关。近日，南京理工大学段静静课题组以耐酸的Bi基金属有机骨架(Bi-MOFs)为电催化剂和以酸性溶液为电解质制备了质子交换膜(PEM)型CO2电解槽。具体而言，研究人员根据电位-pH图设计并制备了一种耐酸性Bi-TDC@DMF MOF催化剂。在流动池和酸性介质(pH=2)中，Bi-TDC@DMF MOF在50-500 mA cm-2的宽电流密度范围内催化CO2转化为HCOOH的最大法拉第效率(FE)为95.10%，在400 mA cm-2电流密度下的SPCE高达64.91%。同时，所构建的PEM型CO2电解槽仅需3.5 V的电池电压就能达到250 mA cm-2的工业级电流密度，FEHCOOH为93.5%，生产速率为12.11 mmol m-2 s-1，能耗为200.65 kWh kmol-1。此外，当利用太阳能电池直接驱动该电解槽，STC为15.94%。配位饱和的MOF通常表现出良好的稳定性和不理想的活性，而配位不饱和的MOF则相反。而在该项工作中，Bi-TDC MOFs则表现出优异的活性和稳定性。在此，研究人员提出了“半转化-半活化(SAST)”概念来解释饱和配位Bi-TDC@DMF MOF的稳定性和活性之间的权衡关系。具体而言，催化剂的配位决定了反应物活化能力，中间体转化效率影响整个反应。这将反应分为反应物活化段和产物形成段，CO2的有效活化基本上不匹配中间体的靶向转化以形成最终产物。基于Sabatier原理，这个SAST概念在吸附质的适度结合和中间转化的能垒之间建立了可能的关系，从而规避稳定性和活性之间的平衡，并且这个概念也可能适用于其他电催化反应。An acid-tolerant metal-organic framework for industrial CO2 electrolysis using a proton exchange membrane. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-51475-7
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