编辑推荐：
为解决直接利用稀释 CO?进行电还原制多碳产物的难题，天津理工大学研究人员开展相关研究。结果表明，咪唑鎓基阴离子交换离聚物修饰的 Cu 催化剂在强酸性介质中表现优异。这为工业烟道气转化提供了新途径123。
在全球努力实现碳中和的大背景下，二氧化碳的减排与转化成为科研领域的热门话题。电催化二氧化碳还原反应（
CO2R），作为一种可持续的方式，能将二氧化碳转化为有价值的化学品和燃料，为碳中性经济的发展带来了希望。目前，多数相关研究都依赖高纯度的二氧化碳（>99%）作为原料。但现实中，工业烟道气作为二氧化碳的主要排放形式，其中二氧化碳浓度却很低（约 15 vol%）。若想利用烟道气中的二氧化碳进行后续的
CO2R电解，就需要先捕获和富集这些稀释的二氧化碳以获得高纯度的二氧化碳。可从烟道气中提纯二氧化碳是个能耗大的过程，每吨成本高达 70 - 100 美元。而且，当用稀释的二氧化碳作原料时，由于其浓度低，析氢反应（HER）往往成为主导反应，导致
CO2R性能不理想。直接利用稀释的二氧化碳高效地转化为有价值的产品，一直是科学界面临的巨大挑战。
在众多CO2R产物中，多碳（C2+）产物，像乙烯、乙醇和醋酸盐等，因市场价格高、能量密度大而备受关注。当前，大多数用于CO2R制C2产物的催化剂和反应器主要在碱性或中性电解液中运行。虽然碱性微环境有助于激活二氧化碳分子、促进 C - C 偶联并抑制 HER，但二氧化碳会与氢氧根离子反应生成碳酸盐或碳酸氢根离子，造成大量消耗，使得C2产物的单通道碳效率（SPCE）通常很低（≤25%）。从（bi）碳酸盐中再生损失的二氧化碳还需要额外约 50% 的输入能量。使用酸性电解液虽能缓解（bi）碳酸盐的形成和碳损失问题，可 HER 反应速率快，导致CO2R的法拉第效率（FE）较低。尽管科研人员做了很多努力，在酸性条件下抑制 HER 动力学以实现有效的CO2R制C2转化，但大多仍使用高纯度二氧化碳来提高选择性，在强酸中直接利用稀释的二氧化碳制备高 FE 的C2+产物这一目标从未实现。
为了攻克这些难题，天津理工大学的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们通过在 Cu 催化剂表面涂覆咪唑鎓基阴离子交换离聚物，成功实现了在强酸性介质（pH 0.8）中，以稀释的二氧化碳（15vol% CO2）为原料，高效地将其电还原为多碳产物。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为二氧化碳的转化利用开辟了新的道路。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。在催化剂制备方面，先合成 Cu - BTC 作为 Cu 前驱体，经退火得到 CuO 纳米颗粒，再与离聚物混合超声后喷涂到气体扩散电极上，最后电化学还原形成 Cu@Sustainion 电极。在性能测试环节，利用三电极体系在流动池中评估CO2R性能，借助核磁共振光谱（NMR）和在线气相色谱分别对液相和气相产物进行定量分析。还运用多种表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X 射线衍射（XRD）等对催化剂的结构和形貌进行分析。
下面来详细看看研究结果：
- CO2捕获和传输：研究人员选择 Sustainion 离聚物来富集局部CO2浓度。实验发现，Sustainion 离聚物对CO2有很强的亲和力，能捕获大量CO2气泡，且CO2在其表面传输迅速。同时，Sustainion 离聚物表面具有疏水性，可阻止质子向催化剂表面传输，有利于形成稳定且丰富的气 - 液 - 固三相界面，促进电催化CO2R。
- 催化剂的合成和表征：成功制备了 Cu@Sustainion 催化剂，通过多种表征手段证实了离聚物成功涂覆在 Cu 催化剂表面，且未改变 Cu 的价态。Cu@Sustainion 催化剂表面粗糙，具有适宜的微观结构，有利于电催化反应的进行。
- 在纯CO2中的电催化CO2R性能：在纯CO2条件下测试发现，Cu@Sustainion 催化剂在高电流密度下，C2的 FE 显著提高，最高可达 78.2 ± 2%，同时 HER 的 FE 被大幅抑制。优化离聚物负载量后发现，0.1mg/cm2 的负载量下C2的 FE 最高。该催化剂在不同CO2流速下都能保持较高的C2的 FE，SPCE 可达 80.1%，且稳定性良好，连续运行 16h，C2的 FE 仍能保持在 65 - 70%。
- CO2R增强机制：研究发现，Sustainion 涂层可使催化剂表面的局部CO2浓度增加约 7 倍，其疏水性链能富集CO2，咪唑鎓阳离子能与CO2发生化学相互作用，增强结合能力。同时，Sustainion 层能阻碍质子扩散，显著抑制 HER。此外，通过原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR - SEIRAS）监测发现，Cu@Sustainion 催化剂能更有效地激活和还原CO2分子，促进CO2二聚过程，有利于CO2转化为C2产物。
- 在稀释CO2中的电催化CO2R性能：以模拟烟道气（15 vol % CO2）为原料进行测试，令人惊喜的是，Cu@Sustainion 催化剂在稀释CO2中的产物 FE 与在纯CO2中相近，在 800mA/cm2 下，C2的 FE 仍高达 70.5 ± 1.6%，SPCE 可达 73.6%，与纯CO2条件下的基准结果相当。
综合来看，该研究制备的咪唑鎓基阴离子交换离聚物涂覆的 Cu 催化剂，在 pH 0.8、以稀释CO2（15vol% CO2）为原料时，展现出了优异的性能，C2的 FE 可达 70.5%，SPCE 可达 73.6%，与纯CO2气氛下的结果相当。这种良好性能得益于离聚物涂层，它既能显著富集稀释的CO2，提高催化剂表面的局部CO2浓度，又能通过阻碍质子扩散，极大地抑制 HER，从而形成丰富的CO2R三相界面，实现了在强酸中有效将稀释的CO2电还原为C2产物。此研究为直接将工业烟道气转化为有价值的产品提供了一条有前景的路线，推动了能源和碳高效的CO2R技术的发展，有望在未来的工业生产中得到广泛应用，助力全球碳中和目标的实现。
