济南大学的胡勋、中佛罗里达大学的冯小峰等人证明了通过创造局部疏水微环境可以显著增强电解CO2装置的工作效率。作者在催化剂层内使用商用Cu纳米粒子和分散的疏水聚四氟乙烯(PTFE)纳米粒子。结果表明,添加了PTFE的电极大大提高了CO2RR的活性和法拉第效率,其偏电流密度为>250 mA cm-2,单程转换率最高为14%,这是不添加PTFE的电极的两倍左右。作者认为,这种性能增强归因于气/液微环境的改变,适量添加PTFE不仅减少了扩散层厚度,提高了CO2的传质效果,还提高了局部CO2浓度。相关工作以”Enhancing carbon dioxide gas-diffusion electrolysis by creating a hydrophobic catalyst microenvironment”为题在《Nature Communications》上发表。
【图文介绍】
图1 不同催化层微环境与反应界面示意图:(a)H型电解槽中的固-液界面;(b)常规的GDE中固-液界面;(c)本文所提出的将PTFE分散在催化层内,构建固-液-气界面的疏水微环境。 通常使用H型电解槽评估材料的CO2RR活性,如图1a所示,虽然这种电池结构可以在低电流密度下很好地评估CO2RR性能,但在高电流密度下,电解质中CO2的低溶解度和缓慢扩散将导致传质受限。因此,越来越多的研究者选用气体扩散电极(GDEs)的流动池用于CO2RR。GDE通常由碳纤维纸(CFP)、微孔层(MPL)和催化剂层组成。GDE的催化剂一侧与电解液接触,另一侧暴露于流动的反应物气体,反应物气体通过CFP中的孔隙扩散到达催化剂,如图1b所示。其中,MPL是由碳粉和聚四氟乙烯(PTFE)颗粒组成,可以保持液相和气相分离。然而,GDE中的催化剂颗粒由于缺乏疏水性,常被电解质润湿,反应主要利用在液相中溶解的CO2发生。在这种含电池构型中,反应物分子通过一层相对较薄的电解液扩散到催化剂,大大降低了扩散层的厚度,可以在电流密度>200 mA cm-2下进行CO2电解。然而,催化剂层通常至少有几微米厚,因此CO2RR可能仍然受到三维催化剂层内CO2传质的限制。本文设计了一种具有疏水催化剂微环境的GDE,通过在催化剂层中分散PTFE纳米粒子来促进CO2气体电极电解,疏水PTFE可以排斥液体电解质并维持催化剂颗粒附近的气态反应物平衡,如图1c所示。结果表明,与未添加PTFE的常规GDEs相比,该电极对CO2RR的活性和法拉第效率有显著提高。