CO2 排放可通過(guò)低溫CO2 電解回收，生成一氧化碳、乙醇、乙烯、乙酸、甲酸和丙醇等產(chǎn)品。近年來(lái)，通過(guò)利用氣體擴(kuò)散電極 (GDE) 的發(fā)展，低溫CO2 電解回收在工業(yè)相關(guān)性能方面取得了進(jìn)展。GDE增強(qiáng)了CO2 反應(yīng)氣體向活性電催化劑的質(zhì)量傳遞。因此，GDE設(shè)計(jì)的創(chuàng)新為二氧化碳轉(zhuǎn)化活性設(shè)定了新的基準(zhǔn) 。
近日，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Christopher Hahn、斯坦福大學(xué)Thomas F. Jaramillo和加拿大多倫多大學(xué)Edward H. Sargent教授 2 電解槽，來(lái)確定該技術(shù)的關(guān)鍵進(jìn)步和剩余挑戰(zhàn)。該綜述與當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的部分電流密度、效率和穩(wěn)定性的概述，以及對(duì)諸如碳酸鹽形成等現(xiàn)象如何影響該領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展方向的展望相結(jié)合。本文旨在獲得可以加速工業(yè)相關(guān)CO2 電解槽開(kāi)發(fā)的見(jiàn)解 。 本文重點(diǎn)關(guān)注低溫（25–80?°C）電解槽，這是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，包括更多新的反應(yīng)器設(shè)計(jì)和催化劑類(lèi)型。低溫CO2 電解能夠產(chǎn)生多種產(chǎn)物，例如一氧化碳、乙烯、甲酸或乙醇。產(chǎn)物具體取決于轉(zhuǎn)移的電子數(shù)量和耦合在一起的CO2 分子的數(shù)量（圖1a）。使用溶解在水中的CO2 作為反應(yīng)物的低溫CO2 電解研究提供了該領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ)。然而，鑒于CO2 水溶液的低濃度和緩慢擴(kuò)散，該條件下實(shí)現(xiàn)高反應(yīng)速率是有限的。
GDE的示意圖如圖1b所示，說(shuō)明了如何將氣態(tài)CO2 直接送入催化劑和電解質(zhì)之間的界面。這有利于CO2 快速傳質(zhì)到催化劑表面，在那里它被束縛并經(jīng)受質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移，最終形成產(chǎn)品。在CO2 減排領(lǐng)域采用GDE為這項(xiàng)研究提供了新的設(shè)計(jì)理念和運(yùn)行原理，這種技術(shù)在某些方面已經(jīng)達(dá)到了商業(yè)技術(shù)期望的水平。
圖1. 氣體擴(kuò)散電極（GDE）上的CO2 電解 CO2 電解槽的關(guān)鍵部件如圖2所示，包括氣體擴(kuò)散層、催化劑層和離子交換膜。氣體擴(kuò)散層是沉積催化劑層的透氣載體（圖1b和2a）。該層控制水、反應(yīng)物和產(chǎn)物進(jìn)出催化劑層的質(zhì)量傳遞，并在確定催化劑周?chē)木植凯h(huán)境中發(fā)揮作用。催化劑層沉積在氣體擴(kuò)散層上，它提供了CO2 結(jié)合和還原的活性位點(diǎn)。在陽(yáng)極和陰極之間有一個(gè)離子交換層，是一個(gè)在電極之間轉(zhuǎn)移離子并阻礙產(chǎn)物交叉的聚合物膜（圖 2c）。
圖3a顯示了在銅上生產(chǎn)乙烯、乙醇和乙酸的反應(yīng)機(jī)理步驟，特別強(qiáng)調(diào)了集成到 GDE中的銅基催化劑促進(jìn)和不利于特定產(chǎn)品生成的某些中間體。GDE反應(yīng)器陰極上常見(jiàn)故障模式包括：催化劑失效、陰極水浸和碳酸鹽形成。催化劑失效是指活性催化劑位點(diǎn)的化學(xué)或物理變化，降低了CO2 還原的選擇性或速率；由于CO2 電解槽中需要?dú)庀郈O2 和H2 O，因此氣體擴(kuò)散層故障通常會(huì)通過(guò)溢流發(fā)生，即水滲透GDE時(shí)會(huì)發(fā)生故障，從而阻礙CO2 向催化劑的傳遞；CO2 電解槽特有的故障模式是GDE被碳酸鹽污染。盡管碳酸鹽可溶于水性介質(zhì)，然而在電解過(guò)程中由于CO2 與氫氧化物反應(yīng)產(chǎn)生了局部濃度很高的碳酸鹽。
圖3. GDE反應(yīng)器陰極上的C2 反應(yīng)途徑和常見(jiàn)故障模式 圖4a、b顯示了形成一氧化碳、甲酸、乙烯、乙醇、乙酸和丙醇的j的當(dāng)前進(jìn)展，前四個(gè)具有高活性。在過(guò)去十年中，該領(lǐng)域的進(jìn)步是巨大的，了解當(dāng)前進(jìn)展是進(jìn)一步改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。
目前，必須克服三個(gè)關(guān)鍵障礙，才能匹配得上已有的低溫H2 O電解技術(shù)可能達(dá)到的70-80%的能量效率：必須降低高電流密度下催化的過(guò)電位，特別是對(duì)于多碳產(chǎn)品；必須提高高電流密度下的反應(yīng)器穩(wěn)定性；必須減輕與碳酸鹽形成相關(guān)的能量損失。從根本上講，在未來(lái)，低溫CO2 電解仍然是減少工業(yè)CO2 排放的最優(yōu)的解決方案之一。 Wakerley, D., Lamaison, S., Wicks, J. et al. Gas diffusion electrodes, reactor designs and key metrics of low-temperature CO2 electrolysers. Nat. Energy. (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-021-00973-9
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