近日，我校化工學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境調控取得新進展。相關成果以“Engineering Ni-N-C Catalyst Microenvironment Enabling CO₂ Electroreduction with Nearly 100% CO Selectivity in Acid”發表在《先進材料》（Advanced Materials）。

CO₂電催化反應通常發生在堿性/中性流動池中，會有嚴重的碳酸鹽形成；此外流動池中長時間的電解還會出現催化層“水淹”現象，兩者會造成催化系統的不穩定性。而在酸性電解液中電解CO₂能夠實現高的CO₂利用率，減輕碳酸鹽沉積的影響。但是，該系統的效率和穩定性有待于進一步的改善，需要對電催化劑及其工作環境進行調控。該工作通過在氣體擴散電極催化層中引入疏水的聚四氟乙烯(PTFE)來調控電催化界面微環境，适度的PTFE改性可以優化催化層中局部的CO₂/H₂O比例，有效地抑制了酸性條件下析氫反應(HER)的發生；同時降低了擴散層厚度，形成高活性且高穩定的氣-液-固三相界面微環境。

圖1：氣-液-固三相界面親疏水性對氣體傳質的調控機制

針對CO₂氣體參與的電催化還原過程，該工作創新性地采用了PTFE對催化層的親疏水性進行調控，通過電化學阻抗分析，闡明了二氧化碳和水的整體擴散層厚度與催化層中聚四氟乙烯含量的定量匹配關系，計算出優化的聚四氟乙烯含量（～60%質量分數），并和實驗測出的電催化性能趨勢高度一緻。同時研究了催化層的抗水淹能力，發現加入合适量的聚四氟乙烯（>‍30%質量分數），在工業級電流密度以及長期（大于500小時）電催化過程中，保持良好的抗水淹效果，從而保持催化層中穩定的氣-液-固三相界面。該工作發展的界面微環境調控策略可以推廣到其他涉及氣-液-固三相界面的電化學反應，如氮氣還原、氧氣還原以及其他氣态有機分子(C₂H₂、C₂H₄、C₃H₄等)在水溶液中的電還原過程。

該工作第一作者為碩士研究生盛學第，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家自然科學基金委重大研究計劃集成項目和重點項目、上海市科委基礎重大項目、上海高校特聘教授（東方學者）等經費支持。

原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202201295