调控串联电极润湿性：优化 CO2电转化为多碳产物的关键策略

为解决 CO2电催化还原反应（CO2RR）中多碳（C2+）产物选择性和产率问题，研究人员开展串联电极润湿性对 CO2转化为 C2+产物影响的研究。结果表明疏水 Cu 层电极性能更优，还明确了最佳电极组合。该研究为提升 CO2RR 性能提供新策略。

　　随着全球工业化进程的加速，人类活动排放的二氧化碳（CO₂）量急剧增加，这已成为全球气候变化的主要推手。在众多应对气候变化的研究方向中，电催化 CO₂还原反应（CO₂RR）备受瞩目，它就像是一把 “魔法钥匙”，有望将废弃的 CO₂转化为增值产品，如一氧化碳（CO）、甲酸盐，尤其是多碳（C₂₊）产物，像乙烯和乙醇等。这些产物不仅具有重要的工业价值，还能在一定程度上缓解能源危机。

在 CO₂RR 的催化剂领域，铜（Cu）凭借其对 C₂₊产物较高的选择性脱颖而出。这主要得益于 Cu 催化剂与CO（C₂₊产物生成的关键中间体）之间适中的吸附能，它既能防止 CO 过早脱附，又能抑制析氢反应（HER），让剩余的弱H 进行质子化，为 C₂₊产物的生成创造有利条件。

然而，科研的道路并非一帆风顺。虽然此前有众多策略试图提高 C₂₊产物的选择性和产率，比如对 Cu 催化剂进行晶面或形貌工程改造、化学结构修饰，以及开发单原子催化剂等，但效果仍不尽人意。此外，串联催化剂作为一种新兴策略，虽能通过将不同功能的催化剂组合在一起，提升 C₂₊产物的生成效率，可其中催化层中粘合剂的作用却一直被忽视。实际上，粘合剂对催化层微环境影响重大，进而显著影响产物选择性。在这样的背景下，为了突破现有研究的局限，提升 CO₂RR 的性能，研究人员开展了此次研究。

此次研究由未知研究机构的研究人员进行，他们将研究成果发表在《Applied Surface Science Advances》上。研究发现，含有疏水 Cu 层的串联电极在性能上优于含有亲水 Cu 层的电极，其 HER 活性更低，电流密度更高。其中，CAg (PAA)/CCu (PTFE) 串联电极在 - 3.5V 时达到了最高的 C₂₊部分电流密度，为 220mA cm^–2 。同时，CO 生成层中粘合剂的润湿性对 C₂₊/CO 比率有显著影响，这表明水可及性的变化会影响 C₂₊的生成。这些发现明确了粘合剂润湿性在优化 CO₂转化为 C₂₊过程中的关键作用，为提高 CO₂RR 性能提供了切实可行的策略。

研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在电极制备方面，采用超声分散和喷雾涂层技术制备不同类型的电极，包括 Cu 阴极、Ag/Cu 串联电极等，并添加碳支持以维持电极结构稳定。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线光谱（EDS）进行物理表征，分析电极的微观结构和元素分布。利用气体色谱（GC）和核磁共振（NMR）对反应产生的气体和液体产物进行分析，计算各产物的法拉第效率（FE），以此评估 CO₂RR 的性能。

结果与讨论

1. 电极结构优化前的性能评估：研究人员最初制备了四种串联电极，评估不同粘合剂组合对 Cu 阴极 CO₂转化为 C₂₊产物的性能影响。结果发现，除了 Cu 层中聚四氟乙烯（PTFE）表现优于聚丙烯酸（PAA）外，预期的串联配置性能提升并不明显。而且，不含碳支持的电极在 MEA 中的 CO₂RR 性能存在法拉第效率不完全的问题，串联结构在反应后出现 Cu 和 Ag 混合的情况，说明其结构未得到有效维持，这表明需要改进串联电极结构以实现预期效果并评估粘合剂润湿性的影响。
2. 优化电极结构后的性能研究：为解决上述问题，研究人员设计了含有碳支持的串联电极。结果显示，这种电极在 CO₂RR 过程中能有效维持双层结构。对比 Cu 单独电极和串联电极的 CO₂RR 性能，发现疏水 Cu 层更具优势，能产生更多 C₂₊产物。当疏水 Cu 层与 Ag 层配对时，粘合剂润湿性对 HER、CO 和 C₂₊选择性的影响更为显著。其中，CAg (PAA)/CCu (PTFE) 电极在 C₂₊/CO 比率方面表现最佳，且在 - 3.5V 时 C₂₊部分电流密度最高，达到 220mA cm^–2 ，这表明亲水 Ag 层有利于串联结构中 CO 的利用，体现了 Cu 和 Ag 层润湿性之间的有利兼容性。
3. 微环境调控对电极性能的影响：研究人员通过改变 CO₂气体的相对湿度（RH）和进料气体组成，探究微环境对 Cu 层水可及性和 CO 利用率的影响。降低 RH 时，CAg (PTFE)/CCu (PTFE) 电极的 FE_H2显著增加，C₂₊/CO 比率下降，说明疏水顶层限制了水对 Cu 层的可及性，降低了 CO₂转化为 C₂₊的效率并促进了 HER；而 CAg (PAA)/CCu (PTFE) 电极在不同 RH 下 FE_H2和 C₂₊/CO 比率变化较小，表明亲水的 CO 生成层能确保稳定的 CO 利用。在不同 CO 浓度下，CAg (PTFE)/CCu (PTFE) 电极在外部 CO 供应时 C₂₊部分电流密度显著增加，而 CAg (PAA)/CCu (PTFE) 电极受影响较小，这说明 CAg (PAA)/CCu (PTFE) 电极能更有效地利用 CO 生成层产生的 CO。
4. H/D 动力学同位素效应（KIE）研究：通过 KIE 研究发现，当 CO 生成层使用疏水粘合剂时，CAg (PTFE)/CCu (PTFE) 电极在 H₂O 和 D₂O 电解质中的 CO 部分电流密度差异显著，H/D KIE 值为 6.0，说明水可及性受限影响了质子化步骤；而 CAg (PAA)/CCu (PTFE) 电极的 H/D KIE 值接近 1，表明其亲水顶层能有效促进质子化。

研究结论和讨论部分强调了粘合剂润湿性对 CO₂转化为 C₂₊产物的关键影响。通过优化串联电极各层的润湿性，能够显著提升 CO₂RR 的性能，为后续开发更高效的 CO₂电催化还原体系提供了重要的理论依据和实践指导。这一研究成果为解决全球气候变化和能源问题开辟了新的路径，有望推动相关领域的进一步发展。