崔屹高徒，Nano Letters副主编，新发ACS Energy Lett.！

摘要：目前，电化学CO2还原反应（CO2RR）的大部分研究都将CO2单次转换效率（SPCE）确定为技术实际部署的关键性能指标，但是最近有报道称CO2RR中的高SPCE通常是以更高的电池电压或降低产物选择性为代价的。基于此，莱斯大学汪淏田教授（通讯作者）等人报道了使用

成果简介

目前，电化学CO2还原反应（CO2RR）的大部分研究都将CO2单次转换效率（SPCE）确定为技术实际部署的关键性能指标，但是最近有报道称CO2RR中的高SPCE通常是以更高的电池电压或降低产物选择性为代价的。基于此，莱斯大学汪淏田教授（通讯作者）等人报道了使用多孔固态电解质（PSE）反应器实现高CO2 SPCE到高纯度甲酸（HCOOH），同时保持电池电压和HCOOH的法拉第效率（FE）。作者成功地回收了PSE系统中的碳损失，在电流密度为100 mA cm-2下达到95.1±1.7%的CO2转化为HCOOH的SPCE，并证明了100 h的稳定运行。

为扩大CO2RR技术的适用性，作者演示了通过电化学连续CO2捕获-CO2还原系统将连续模拟烟气（10% CO2, 10% O2，平衡N2）转化为高纯度甲酸，CO2 SPCE达到80%以上。PSE设计能够实现本研究中的应用，但在电化学反应器中加入额外的一层会引入电阻损耗，从而降低整体能效。未来的PSE设计应该以减少中间层厚度为目标，可能是通过结合在电去离子领域开发的树脂晶圆，同时也要专注于创造更具离子导电性的PSE层。

相关工作以《Electrochemical CO2 Reduction to Formic Acid with High Carbon Efficiency》为题发表在最新一期《ACS Energy Letters》上。

汪淏田，1990年出生于安徽省宿松县，2011年本科毕业于中国科学技术大学物理系，2016年博士毕业于斯坦福大学取得应用物理系（导师崔屹院士）。在读博期间，他提出了一种独特的系统性“电化学调控”方法，可有效提高水分解和燃料电池催化剂的催化性能。在博士毕业后，他从两三百位申请者中脱颖而出，跳过了博士后阶段，直接进入哈佛大学罗兰研究所担任研究员，正式开启了自己的独立研究生涯。两年之后，进入美国莱斯大学化学与生物分子工程系任教。目前，汪淏田教授担任国际知名期刊《Nano Letters》副主编。课题组主页：https://wang.rice.edu。

据网页搜索，汪淏田教授目前已在《Nature》系列杂志发表文章超过30篇！

图文解读

在PSE反应器中，BOON催化剂被证明对HCOOH具有高活性和选择性，HCOOH是NMR检测到的唯一液体产物。在电池电压低于3.7 V下，其电流密度为200 mA cm-2，同时HCOOH法拉第效率（FE）保持在85%以上。当输入CO2流量为20 SCCM时，在200 mA cm-2下观察到的最大CO2 SPCE低于17%。使用AEI后，在CO2输入1.65 SCCM（HCOOH FE为65.9%）时，最大CO2 SPCE达到76.8%，而使用CEI时为68.7%的CO2 SPCE（HCOOH FE为59%）。在最佳粘结剂（AEI）和催化剂负载量（1 mg cm-2）的情况下，CO2 SPCE从34.3%提高到76.8%，CO2的输入从5.14 SCCM降低到1.65 SCCM。

图1.比较不同CO2RR电解槽用于生产液体产品

图2.不回收CO2下PSE反应器中电化学CO2RR性能

在100 mA cm-2下，PSE反应器中HCOOH FE保持在80%以上，而输入的CO2气体流速从5.14 SCCM降低到1.65 SCCM，表明即使在减少CO2气体输入的情况下，从中间层回收CO2也可以实现高HCOOH FE。与在1.65 SCCM的CO2输入下，使用PSE反应器回收CO2损失的最大CO2 SPCE为95.1±1.7%（不回收时为76.8±2.6%），HCOOH FE为80.8±1.4%（不回收时为65.9±2.3%）。对于PSE CO2回收系统在100 h（5个20 h循环）内表现出出色的稳定性，HCOOH FE始终保持在80-95%，CO2 SPCE始终保持在47-55%。

图3. PSE反应器的电化学性能

在1 cm2的活性区域，总CO2输入为100 SCCM，将电流密度增加到150 mA cm-2时，BOON催化剂可以在-0.95 V下提供高达150 mA cm-2的电流密度，HCOO-的FE为86%。将施加的电流密度固定在100 mA cm-2，并通过引入CO2和Ar的混合物，改变输入气体CO2浓度，从100%到10%，可以产生高纯度甲酸。在100 mA cm-2下，将CO2浓度从100%降低到10%，导致HER从~3%增加到~14%，CO2RR相应降低。

图4.存在O2和低CO2浓度对电化学CO2RR性能的影响

作者引入了一个顺序系统，首先将模拟烟气送入CO2捕获PSE电解槽，该电解槽不断从中间层释放纯CO2气体，然后将其送入CO2还原PSE电解槽，该电解槽产生高纯度甲酸，同时回收CO2损失，以实现高CO2 SPCE。该系统将烟气转化为甲酸，ORR/OER电池的工作电流为50 mA cm-2（总电流为312.5 mA），捕获的CO2气体被送入CO2RR电池，工作电流为100 mA cm-2（总电流为256 mA）。

在第一次CO2RR循环之前，CO2捕获系统的碳酸盐FE测量值为79.2%，对应于CO2RR电池的输入CO2流量为1.88 SCCM。在测试开始时，初始CO2 SPCE为88.4%，但在第一次循环结束时下降到71.9%。在第二次循环中输入1.72 SCCM的CO2，CO2RR PSE在循环开始时也提供了85.6%的高CO2 SPCE，然后下降到74.3%。在第三个循环之前，CO2捕获性能下降到69.7%的碳酸盐FE，转化为CO2RR反应器的CO2输入量为1.65 SCCM。总之，只要有足够的CO2输入，CO2RR转化为HCOOH带CO2回收的PSE就可以稳定运行。