大氣中二氧化碳（CO2）的濃度持續(xù)增加，使得環(huán)境災害頻發(fā)等問題日趨嚴重，CO2回收及轉(zhuǎn)化利用亟需進一步的研究和發(fā)展。大規(guī)模CO2電催化還原技術（CO2RR）將CO2轉(zhuǎn)化升級為高附加值的碳基化學品和燃料，同時耦合間歇性的風能或太陽能，可以實現(xiàn)新能源的調(diào)峰和長期儲存，形成可持續(xù)的人工碳循環(huán)系統(tǒng)，服務于我國“30-60雙碳”目標。

加拿大滑鐵盧大學陳忠偉院士、余愛萍教授和華南師范大學王新研究員團隊在電催化流動池的研究中取得了重大進展，他們在《Nature Energy》中提出了一種新型流動電解池，利用CO2飽和的全液相陰極液對流流經(jīng)過多孔電極，原位生成CO2（g）-液體-催化劑三相界面，降低傳質(zhì)邊界層厚度到1.5 μm 以下，以便同時提升CO2、電子（electrons）、質(zhì)子（protons）和產(chǎn)物（products）的傳遞轉(zhuǎn)移（CEPP transfer），實現(xiàn)利用原位電沉積的銀陰極和商用泡沫鎳陽極在100 cm2的流動電解池中高效穩(wěn)定轉(zhuǎn)化CO2為CO，并放大組裝了4×100 cm2的商用電堆，CO產(chǎn)率可達90.6 ± 4.0 L/h，而且這種氣體原位出溶電解池成功拓展到銅基陰極并高效合成C2+產(chǎn)物。

圖1. CEPP 傳遞轉(zhuǎn)移和CO2原位出溶電解池的動態(tài)三相界面概念。因為當電流密度進一步增大時，反應會受到傳質(zhì)的限制，因此，理想的電極結(jié)構(gòu)需要平衡反應物進料、反應動力學和產(chǎn)物排出等因素。具體而言，這些過程在很大程度上依賴于CEPP 傳遞轉(zhuǎn)移的共同提升，因為CO2RR涉及多個協(xié)同的質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移（xCO2?+?ne￣?+?nH+ = CxHyOz?+?mH2O）。因此，降低電解液流動邊界層和局部微環(huán)境中各種物質(zhì)的濃度梯度至關重要（例如，反應物：CO2 和 H+，產(chǎn)物：CO、H2等其他CxHyOz物質(zhì)，以及電解質(zhì)中其他離子 HCO3￣、OH￣和堿金屬陽離子等）。

圖2. CO2原位出溶電解池的結(jié)構(gòu)和機理。

氣體原位出溶過程利用了流體動力學中的伯努利原理，液相電解液從孔腔流到孔喉時，由于流通截面積減小，使得流速增大，局部壓力降低，從而氣態(tài)CO2分子容易從電解液中溶解的CO2和碳酸氫根中出溶析出，從而在反應界面處提供充足的CO2供給，此外，全液相進料保證了高離子導電性和質(zhì)子供給率，同時促進CEPP的傳遞轉(zhuǎn)移。同時根據(jù)達西定律，陰極中電解液流速的增加進一步強化了這種局部壓力的變化，放大了該氣體原位出溶現(xiàn)象。

圖3. 流場可視化分析。

采用二維多物理場模型模擬了不同流場結(jié)構(gòu)在CO2RR反應中的電極周圍的局部微環(huán)境。大量OH￣ 離子在催化劑表面產(chǎn)生，由于離子的傳輸限制，電解液中的緩沖反應無法快速平衡，導致電極/電解質(zhì)界面附近的pH值極大升高。通過減薄的擴散層可以有效降低物質(zhì)濃度梯度來加速緩沖反應，并將局部pH值維持在9左右，從而解決了pH升高的問題，并有助于CO2RR的進行。

圖4. 電解池的優(yōu)化設計

圖5. 氣體原位出溶電解池性能對比。

我們使用Ag基陰極催化劑組裝了五類電解池，通過對比，氣體原位出溶電解池不僅具有更高的電流密度，但也有更寬的電位窗口，表明了其同時強化了CEPP傳遞轉(zhuǎn)移和反應動力學。此外，這種電極結(jié)構(gòu)延長了反應物與催化劑的界面，消除電極結(jié)構(gòu)中的停滯區(qū)，充分發(fā)揮催化劑本征性能。

圖6. 氣體原位出溶概念擴展到4×100 cm2電堆和Cu基催化劑合成C2+產(chǎn)物。

氣體原位出溶概念也成功組裝了電堆，由四個模塊化單元組成。電堆在電壓為14 V時總電流可達59.0 ± 2.6 A，CO產(chǎn)率在最初的120分鐘內(nèi)保持在90 L/h左右，為CO2回收轉(zhuǎn)化的規(guī)?；I(yè)應用提供了一個選擇方法?？傮w而言，這項研究提供了一種具備超高收率的新型氣體原位出溶電解池，為大型電化學轉(zhuǎn)化裝置的設計提供了新思路，構(gòu)筑了商業(yè)應用和基礎研究之間的橋梁。