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近日，華東理工大學(xué)化工學(xué)院李春忠教授和江宏亮特聘研究員在酸性條件下二氧化碳電催化界面微環(huán)境調(diào)控研究中取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“調(diào)控鎳-氮-碳催化劑的工作微環(huán)境，在酸性介質(zhì)中獲得近百分百的二氧化碳電還原制一氧化碳”為題，發(fā)表于《先進(jìn)材料》。
CO?電催化反應(yīng)通常發(fā)生在堿性/中性流動(dòng)池中，會(huì)有嚴(yán)重的碳酸鹽形成。此外，流動(dòng)池中長(zhǎng)時(shí)間的電解還會(huì)出現(xiàn)催化層“水淹”現(xiàn)象，兩者會(huì)造成催化系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。而在酸性電解液中電解CO?能夠?qū)崿F(xiàn)高的CO?利用率，減輕碳酸鹽沉積的影響。但是，該系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步改善，需要對(duì)電催化劑及其工作環(huán)境進(jìn)行調(diào)控。
該工作通過(guò)在氣體擴(kuò)散電極催化層中引入疏水的聚四氟乙烯(PTFE)來(lái)調(diào)控電催化界面微環(huán)境，適度的PTFE改性可以優(yōu)化催化層中局部的CO?/H?O比例，有效地抑制了酸性條件下析氫反應(yīng)(HER)的發(fā)生。同時(shí)，降低了擴(kuò)散層厚度，形成高活性且高穩(wěn)定的氣-液-固三相界面微環(huán)境。
針對(duì)CO?氣體參與的電催化還原過(guò)程，該工作創(chuàng)新性地采用了PTFE對(duì)催化層的親疏水性進(jìn)行調(diào)控，通過(guò)電化學(xué)阻抗分析，闡明了二氧化碳和水的整體擴(kuò)散層厚度與催化層中聚四氟乙烯含量的定量匹配關(guān)系，計(jì)算出優(yōu)化的聚四氟乙烯含量(約60%質(zhì)量分?jǐn)?shù))，并和實(shí)驗(yàn)測(cè)出的電催化性能趨勢(shì)高度一致。同時(shí)，研究了催化層的抗水淹能力，發(fā)現(xiàn)加入合適量的聚四氟乙烯(大于30%質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在工業(yè)級(jí)電流密度以及長(zhǎng)期(大于500小時(shí))電催化過(guò)程中，保持良好的抗水淹效果，從而保持催化層中穩(wěn)定的氣-液-固三相界面。該工作發(fā)展的界面微環(huán)境調(diào)控策略可以推廣到其他涉及氣-液-固三相界面的電化學(xué)反應(yīng)，如氮?dú)膺€原、氧氣還原以及其他氣態(tài)有機(jī)分子在水溶液中的電還原過(guò)程。
以上相關(guān)工作的第一作者為華東理工大學(xué)碩士研究生盛學(xué)第，通訊作者為李春忠教授和江宏亮特聘研究員。此外，該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目和重點(diǎn)項(xiàng)目、上海市科委基礎(chǔ)重大項(xiàng)目、上海高校特聘教授(東方學(xué)者)等經(jīng)費(fèi)支持。
