成果展示

電化學還原CO2為增值化學品引起了科研人員的廣泛關(guān)注，但由于CO2電還原反應(yīng)的復雜性質(zhì)，報道一種新的CO2電催化劑或新的反應(yīng)器設(shè)計的性能并不重要。

在許多情況下，結(jié)果以令人困惑的方式呈現(xiàn)，使得很難評估催化劑或器件的真實性能。

在文中，作者首先討論了文獻中已報道新型電催化劑（包括多相催化劑和分子催化劑）性能時的常見問題，然后將討論擴展到如何正確地測量和量化產(chǎn)品。

最后，作者評論了與全電池水平研究相關(guān)的問題，并推薦電化學CO2還原的最佳實踐。

報道電催化劑性能

通常利用典型的三電極間歇電池（H-電池）評價電催化性能。由于催化劑可獲得的CO2（反應(yīng)物）的量受到CO2溶解度的限制（在環(huán)境條件下約為34 mM），在質(zhì)量傳輸問題占主導地位前，最高工作電流密度限制在約20 mA cm-2。

一種新催化劑的性能通常使用四個主要性能指標（即產(chǎn)品法拉第效率、過電位、電流密度和穩(wěn)定性）的矩陣來報告，同時應(yīng)進行多次測試以顯示法拉第效率誤差范圍內(nèi)的可重復性。

此外，應(yīng)避免使用非常規(guī)單位，因為在與文獻中報道的值進行比較時可能存在混淆和困難。如果要求較高的工作電流密度，應(yīng)在該電流密度下指定過電位和法拉第效率。

簡單地報告從線性掃描伏安法獲得的最大電流密度值是不可接受的。

同樣，當要求具有較高的法拉第效率時，必須同時報告相應(yīng)的電流密度和過電位。

催化劑的穩(wěn)定性應(yīng)在相對較高的電流密度下進行評估，將加速催化劑穩(wěn)定性問題的暴露。

需注意，在較高的電流密度下，固有催化活性的測量和分析更加復雜，而且應(yīng)該考慮到質(zhì)量傳輸效應(yīng)。



圖1. 用于CO2還原實驗的電化學電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖

測量CO2還原產(chǎn)物

雖然氣態(tài)CO2還原產(chǎn)物只需要陰極出口來分析產(chǎn)物，但分析陽極可以提供非常有用的信息。

對于任何在線氣體分析設(shè)備，在出口陰極和陽極線之間安裝一個簡單的氣動開關(guān)，可用一個分析儀對兩邊進行測試。

使用入口流速作為出口流速的近似值很簡單，但需要可以忽略不計的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)物的損失。

在1-10 mA cm-2體系下工作的H-電池，當電流高一個數(shù)量級（100-1000ma cm-2）時，會發(fā)生大量的轉(zhuǎn)換，因此必須測量出口流量。

當CO2與KOH反應(yīng)生成碳酸鹽時，這種均勻的副反應(yīng)會進一步清除CO2，導致出口流量的大幅損失。

由于類似的問題，液體產(chǎn)品也需要仔細分析，而總體積也需要確定產(chǎn)量。

在以陰極為基礎(chǔ)的電池中，離子將穿過膜轉(zhuǎn)移，并且由于這些離子是水合的，意味著在測試過程中含水量將自然發(fā)生變化。

由于這些誤差隨電流密度、陰極儲層和實驗持續(xù)時間的變化而變化，這將成為一個越來越重要的問題。

全電池級別的性能

在氣體擴散電極（GDE）系統(tǒng)中，某些參數(shù)（傳質(zhì)和局部pH值）減小或增大，但基本原理保持不變。

雖然可擴展的高電流密度GDE電解槽使分析更加復雜，但科學的嚴謹性和完整性不能妥協(xié)。

目前，該領(lǐng)域還沒有解決最佳的CO2電解設(shè)計是直接零間隙，膜電極組件還是間隙基于陰極的GDE。

對于零間隙和間隙電池，在出口陰極氣體線中有一個冷阱可捕獲液體物種，因為它們自然凝結(jié)的傾向使得可量化的直接檢測其蒸汽含量具有挑戰(zhàn)性。

此外，CO2電解產(chǎn)物的陽極再氧化也可能是一個實質(zhì)性的問題，標準和空白提供了關(guān)于這種陽極氧化程度的有用定性信息。

對于CO2電解，作者需要確保在陽極和膜的實驗描述中具有與陰極相同的科學嚴謹性。雖然已經(jīng)提出了加速耐久性測試，但在做出絕對穩(wěn)定性聲明前，該領(lǐng)域還需要大量的工作。

由于穩(wěn)定性故障可能與非線性增加的因素有關(guān)，至少100 h的運行穩(wěn)定性測試可發(fā)現(xiàn)許多此類問題，從而在穩(wěn)定性方面提供更準確的分析。

建議

對于未來電化學CO2還原的研究，作者建議以下做法：

（1）任何一種新型催化劑的性能都應(yīng)該以一種全面的方式進行評估和報告，即使用一個性能指標矩陣（法拉第效率、過電位、電流密度和穩(wěn)定性）；

（2）由于實驗條件會對催化劑的性能產(chǎn)生重大影響，因此必須報告所有實驗細節(jié)，包括材料來源、化學品純度、催化劑制備方法、預(yù)處理和預(yù)處理程序、電化學測試條件等；

（3）應(yīng)采用準確的方法進行產(chǎn)品量化。







審核編輯：劉清