CO₂還原反應(yīng)（CO₂RR）是將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值化學(xué)品的重要途徑，因其在減少溫室氣體排放和實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)中的潛力，成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。然而，CO₂RR的效率和選擇性受到多個(gè)因素的影響，其中氣體質(zhì)量傳輸機(jī)制是關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。在傳統(tǒng)的批量電池中，氣體分布不均和反應(yīng)界面局限性限制了其反應(yīng)效率，這也使得在批量電池中獲得的催化劑性能難以遷移到高性能流動(dòng)電池中。

為了解決這一問題，北京大學(xué)徐冰君/常曉俠等人提出了通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和提升電解質(zhì)界面活性來改善CO₂RR性能的方案。具體而言，電極與液體表面之間形成的彎月面區(qū)域被認(rèn)為在CO₂的傳輸和反應(yīng)過程中扮演著重要角色。通過研究這一區(qū)域的氣體擴(kuò)散和催化過程，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，批量電池中的CO₂RR表現(xiàn)與流動(dòng)電池相似，當(dāng)反應(yīng)主要發(fā)生在彎月面區(qū)域時(shí)，兩者之間的性能差異顯著減小。相關(guān)文章在《Science Advances》上發(fā)表題為“Bridging activity gaps between batch and flow reactor configurations in the electroreduction of carbon dioxide”的最新論文。

基于這一發(fā)現(xiàn)，研究者們開發(fā)了一種具有氣體通道的雙面氣體擴(kuò)散電極，顯著提升了CO₂RR的電流密度，達(dá)到了640 mA/cm2（幾何電流密度），在KHCO₃電解質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了中性緩沖介質(zhì)下的最高活性。這一成果為CO₂RR的高效催化提供了新的思路，也為流動(dòng)電池的高性能催化劑開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

（1）實(shí)驗(yàn)首次研究了批量電池中彎月面區(qū)域?qū)O₂還原反應(yīng)（CO₂RR）性能的影響，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域在CO₂RR中發(fā)揮了決定性作用，約50%的CO₂分子從疏水性氣體擴(kuò)散層（GDL）擴(kuò)散到催化劑層。
（2）實(shí)驗(yàn)通過原位表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)，揭示了彎月面區(qū)域獨(dú)占性地存在COad，而在完全浸沒區(qū)域，CuOx/(OH)y物種占主導(dǎo)地位，表明CO₂的質(zhì)量傳輸方式對(duì)銅物種的分布具有重要影響。
（3）實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一種組裝型雙面氣體擴(kuò)散電極（GDE），并通過在KHCO3電解質(zhì)中測(cè)試，成功實(shí)現(xiàn)了640 mA/cm2（幾何電流密度）的CO₂RR部分電流密度，達(dá)到了中性緩沖介質(zhì)中CO₂RR的最高活性。
（4）實(shí)驗(yàn)表明，批量電池中主要在彎月面區(qū)域發(fā)生的CO₂RR與流動(dòng)電池中的表現(xiàn)相似，彎月面區(qū)域的作用彌合了這兩種電池配置之間的性能差距，為催化劑從批量電池向流動(dòng)電池的轉(zhuǎn)移提供了理論依據(jù)和技術(shù)路徑。

圖1 批量反應(yīng)池中GDE液橋區(qū)域的研究。

圖2. 在批量電池中對(duì)氣體擴(kuò)散機(jī)制的研究。

圖3. CO₂還原反應(yīng)過程中銅在氣體擴(kuò)散電極(GDE)上的物種分布。

圖4. 增強(qiáng)CO₂還原反應(yīng)活性的結(jié)構(gòu)化電極設(shè)計(jì)。

總之，本研究證明了在批量電池中，彎月面區(qū)域在CO₂還原反應(yīng)（CO₂RR）中發(fā)揮了決定性作用，約50%的CO₂分子從疏水性氣體擴(kuò)散層（GDL）擴(kuò)散到催化劑層。

在批量電池中，只要反應(yīng)主要發(fā)生在彎月面區(qū)域，批量電池和流動(dòng)電池之間的CO₂RR性能差異就會(huì)大大消失，從而彌合了活性差距，并促進(jìn)了這些電池配置之間催化研究成果的轉(zhuǎn)移。通過原位表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）繪圖顯示，彎月面區(qū)域獨(dú)占性地存在COad，而在完全浸沒區(qū)域，CuOx/(OH)y占主導(dǎo)地位，表明CO₂的質(zhì)量傳輸方式對(duì)銅物種的分布有重要影響。

基于這些見解，開發(fā)了一種組裝型GDE架構(gòu)，采用商業(yè)銅微顆粒（Cu MPs），在KHCO3電解質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了640 mA/cm2（幾何電流密度）的部分電流密度，達(dá)到了中性緩沖介質(zhì)中CO₂RR的最高活性，突出了組裝型GDE在高性能流動(dòng)電池中的潛力。除了CO₂RR，組裝型GDE結(jié)構(gòu)還可以促進(jìn)其他涉及氣-液-固界面的反應(yīng)，如氫氧化物還原反應(yīng)（HOR）和氧還原反應(yīng)（ORR）。

Qiwen Sun et al. ,Bridging activity gaps between batch and flow reactor configurations in the electroreduction of carbon dioxide.