尖端结构与疏水效应协同调控微环境：助力酸性电解液中高效电还原 CO2

在酸性 CO2电还原中，HER 强、催化剂易腐蚀限制其性能。研究人员通过调控局部微环境开展相关研究，在 Ag-NNs@PTFE 催化剂上实现高电流密度下 CO 的高法拉第效率和阴极能量效率，为酸性介质中 CO2RR 应用提供新思路。

　　

研究背景

在全球面临能源危机与环境挑战的当下，将二氧化碳（CO₂）转化为有用的燃料和化学品，成为科研领域的热门研究方向。电催化 CO₂还原反应（CO₂RR），宛如一把 “绿色钥匙”，承载着实现碳循环、缓解温室效应以及储能的厚望。

以往研究多聚焦于碱性和近中性介质中的 CO₂RR，可这也带来了新的难题。在这些介质里，CO₂会与氢氧根离子（OH^-）反应生成碳酸盐，这严重制约了碳效率和整体能源效率，使得碱性 / 中性 CO₂RR 系统的工业化前景大打折扣。

而酸性电解液中的 CO₂RR，能从根本上避免碳酸盐的形成，为高效利用 CO₂带来了曙光。但这条探索之路并非一帆风顺，在酸性电解液中，析氢反应（HER）的速率比 CO₂RR 快得多，导致 CO₂RR 的选择性很低。同时，催化剂在酸性介质中还容易被腐蚀，严重影响了反应的稳定性和活性。如何突破这些困境，成为科研人员亟待攻克的难题。

为了解决这些问题，国内的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上，为酸性介质中 CO₂RR 的发展带来了新的希望。

研究方法

研究人员采用电化学沉积法合成了高曲率树枝状银纳米针催化剂（Ag-NNs），随后通过简单的滴涂法在其表面包覆疏水的聚四氟乙烯（PTFE）涂层。利用有限元模拟（COMSOL）、密度泛函理论（DFT）计算、接触角测试、扫描电子显微镜（SEM）等技术，对催化剂的性能、结构以及反应过程进行了全面分析。

研究结果

1. Ag-NNs@PTFE 催化剂性能优异：得益于尖端增强电场效应和疏水效应协同调控局部微环境，在 pH = 2 的流动池中，Ag-NNs@PTFE 催化剂在电流密度高达 -400 mA cm^-2时，CO 的法拉第效率（FE）可达 93.2%，阴极能量效率（CEE）为 49.36%，且能稳定运行 32 小时。这表明该催化剂在酸性介质中能有效抑制 HER，显著提升 CO₂RR 的性能。
2. 作用机制解析：有限元模拟结果显示，Ag-NNs 的高曲率能使其尖端附近富集钾离子（K⁺）。DFT 计算表明，PTFE 修饰的催化剂界面不仅降低了 CO₂RR（?CO₂ 到 ?COOH）的反应能垒，还大幅提高了 HER 的能垒。这意味着 PTFE 修饰能促进 CO₂RR，同时抑制 HER，从理论层面揭示了催化剂性能提升的原因。
3. 催化剂的保护作用：接触角测试和长期稳定性测试后的 SEM 图像表明，包覆 PTFE 使 Ag-NNs@PTFE 具有更好的疏水性，且能有效保护催化剂免受腐蚀，进一步提升了催化剂的稳定性，保障了反应的持续高效进行。
4. 策略的普适性：该协同策略在铋基纳米针结构催化剂上也取得了良好效果。最优的 Bi-NNs@PTFE 在 -1.1 V（vs. RHE）下运行 32 小时，甲酸（HCOOH）的 FE 保持在 85% 以上，证明了这种策略的通用性，为其他类似催化剂的设计提供了参考。

研究结论与讨论

本研究利用尖端增强电场效应和疏水效应协同调控局部微环境，成功在 Ag-NNs@PTFE 催化剂上实现了增强的 CO₂还原反应，同时有效抑制了 HER，并保护催化剂免受腐蚀。这种具有疏水特性的尖端结构，不仅能促使表面附近 K⁺高浓度富集，稳定反应中间体，加速 CO₂RR 的动力学过程，还能阻止质子的直接接触，减少 HER 的发生。

该研究成果意义重大，为酸性介质中 CO₂RR 在高电流密度下提高选择性和稳定性提供了全新策略，打破了以往研究的局限。其设计理念和研究方法为后续开发更高效、稳定的酸性 CO₂RR 催化剂指明了方向，有望推动 CO₂电还原技术从实验室走向工业化应用，在缓解能源与环境问题方面发挥重要作用。