绿电驱动CO₂催化转化制高值化学品是实现“双碳”目标的重要途径。当前，大多数研究采用碱性或中性电解质，用于抑制竞争性析氢反应的同时促进CO₂还原反应。然而在大电流密度反应条件下，催化剂表面无论是发生CO₂还原反应还是析氢反应，H⁺的快速消耗都会使局部处于强碱环境，输入的大部分CO₂并没有被还原，而是通过与OH^-反应生成碳酸盐，进而导致催化剂表面可用的CO₂显著减少，析氢反应占主导，CO₂单程碳效率较低，阻碍CO₂电还原的实际应用。在酸性电解质中电还原CO₂能够有效规避CO₂损失问题，但面临严重析氢副反应。因此发展酸性体系下高效CO₂电催化转化是CO₂资源化利用的重要研究方向。

针对以上问题，上海高等研究院（以下简称“上海高研院”）魏伟、陈为研究员团队通过采用分层次微/纳米结构银中空纤维透散电极系统研究了催化剂微环境(如局部K⁺/H⁺和CO₂浓度)对酸性介质(pH = 1)中CO₂电还原性能的影响。研究成果以“Ampere-level CO₂ electroreduction with single-pass conversion exceeding 85% in acid over silver penetration electrodes”为题发表在Nature Communications上。

电化学实验结果和密度泛函理论计算表明：1.酸性电解质中高浓度K⁺的存在控制并促进了高效CO₂还原反应的发生；2.银中空纤维电极的独特构型能够诱导可控的CO₂输入，协调了强酸电解液中银活性位点的CO₂/H⁺平衡，有利于CO₂活化和关键中间体*COOH的形成，从而促进了CO的生成。通过优化阴极组成(H⁺/K⁺浓度)和输入CO₂流速，在强酸性电解液中，获得了4.3 A /cm²的CO电流密度和95%的CO法拉第效率，CO₂单程碳效最高可达87%，并在2 A/cm²大电流下稳定运行超200 h，具有良好的实际应用前景。

该工作为酸性体系下高效CO₂电催化转化研究提供了新思路。论文第一作者为上海高研院李守杰博士、董笑博士（共同一作）和吴钢锋博士（共同一作）。上述研究得到了科技部催化科学重点专项、中国科学院洁净能源先导专项、上海市科学技术委员会碳中和项目以及内蒙科技厅重大项目等经费支持。(图/文 李守杰、董笑、陈为)

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-50521-8

图1. 银中空纤维透散电极酸性CO₂电还原示意图