如何更好地報道CO2電還原的性能？

成果展示

電化學(xué)還原CO2為增值化學(xué)品引起了科研人員的廣泛關(guān)注，但由于CO2電還原反應(yīng)的復(fù)雜性質(zhì)，報道一種新的CO2電催化劑或新的反應(yīng)器設(shè)計的性能并不重要。

在許多情況下，結(jié)果以令人困惑的方式呈現(xiàn)，使得很難評估催化劑或器件的真實性能。

在文中，作者首先討論了文獻(xiàn)中已報道新型電催化劑（包括多相催化劑和分子催化劑）性能時的常見問題，然后將討論擴(kuò)展到如何正確地測量和量化產(chǎn)品。

最后，作者評論了與全電池水平研究相關(guān)的問題，并推薦電化學(xué)CO2還原的最佳實踐。

報道電催化劑性能

通常利用典型的三電極間歇電池（H-電池）評價電催化性能。由于催化劑可獲得的CO2（反應(yīng)物）的量受到CO2溶解度的限制（在環(huán)境條件下約為34 mM），在質(zhì)量傳輸問題占主導(dǎo)地位前，最高工作電流密度限制在約20 mA cm-2。

一種新催化劑的性能通常使用四個主要性能指標(biāo)（即產(chǎn)品法拉第效率、過電位、電流密度和穩(wěn)定性）的矩陣來報告，同時應(yīng)進(jìn)行多次測試以顯示法拉第效率誤差范圍內(nèi)的可重復(fù)性。

此外，應(yīng)避免使用非常規(guī)單位，因為在與文獻(xiàn)中報道的值進(jìn)行比較時可能存在混淆和困難。如果要求較高的工作電流密度，應(yīng)在該電流密度下指定過電位和法拉第效率。

簡單地報告從線性掃描伏安法獲得的最大電流密度值是不可接受的。

同樣，當(dāng)要求具有較高的法拉第效率時，必須同時報告相應(yīng)的電流密度和過電位。

催化劑的穩(wěn)定性應(yīng)在相對較高的電流密度下進(jìn)行評估，將加速催化劑穩(wěn)定性問題的暴露。

需注意，在較高的電流密度下，固有催化活性的測量和分析更加復(fù)雜，而且應(yīng)該考慮到質(zhì)量傳輸效應(yīng)。



圖1. 用于CO2還原實驗的電化學(xué)電池的基本結(jié)構(gòu)示意圖

測量CO2還原產(chǎn)物

雖然氣態(tài)CO2還原產(chǎn)物只需要陰極出口來分析產(chǎn)物，但分析陽極可以提供非常有用的信息。

對于任何在線氣體分析設(shè)備，在出口陰極和陽極線之間安裝一個簡單的氣動開關(guān)，可用一個分析儀對兩邊進(jìn)行測試。

使用入口流速作為出口流速的近似值很簡單，但需要可以忽略不計的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)物的損失。

在1-10 mA cm-2體系下工作的H-電池，當(dāng)電流高一個數(shù)量級（100-1000ma cm-2）時，會發(fā)生大量的轉(zhuǎn)換，因此必須測量出口流量。

當(dāng)CO2與KOH反應(yīng)生成碳酸鹽時，這種均勻的副反應(yīng)會進(jìn)一步清除CO2，導(dǎo)致出口流量的大幅損失。

由于類似的問題，液體產(chǎn)品也需要仔細(xì)分析，而總體積也需要確定產(chǎn)量。

在以陰極為基礎(chǔ)的電池中，離子將穿過膜轉(zhuǎn)移，并且由于這些離子是水合的，意味著在測試過程中含水量將自然發(fā)生變化。

由于這些誤差隨電流密度、陰極儲層和實驗持續(xù)時間的變化而變化，這將成為一個越來越重要的問題。

全電池級別的性能

在氣體擴(kuò)散電極（GDE）系統(tǒng)中，某些參數(shù)（傳質(zhì)和局部pH值）減小或增大，但基本原理保持不變。

雖然可擴(kuò)展的高電流密度GDE電解槽使分析更加復(fù)雜，但科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性和完整性不能妥協(xié)。

目前，該領(lǐng)域還沒有解決最佳的CO2電解設(shè)計是直接零間隙，膜電極組件還是間隙基于陰極的GDE。

對于零間隙和間隙電池，在出口陰極氣體線中有一個冷阱可捕獲液體物種，因為它們自然凝結(jié)的傾向使得可量化的直接檢測其蒸汽含量具有挑戰(zhàn)性。

此外，CO2電解產(chǎn)物的陽極再氧化也可能是一個實質(zhì)性的問題，標(biāo)準(zhǔn)和空白提供了關(guān)于這種陽極氧化程度的有用定性信息。

對于CO2電解，作者需要確保在陽極和膜的實驗描述中具有與陰極相同的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)性。雖然已經(jīng)提出了加速耐久性測試，但在做出絕對穩(wěn)定性聲明前，該領(lǐng)域還需要大量的工作。

由于穩(wěn)定性故障可能與非線性增加的因素有關(guān)，至少100 h的運行穩(wěn)定性測試可發(fā)現(xiàn)許多此類問題，從而在穩(wěn)定性方面提供更準(zhǔn)確的分析。

建議

對于未來電化學(xué)CO2還原的研究，作者建議以下做法：

（1）任何一種新型催化劑的性能都應(yīng)該以一種全面的方式進(jìn)行評估和報告，即使用一個性能指標(biāo)矩陣（法拉第效率、過電位、電流密度和穩(wěn)定性）；

（2）由于實驗條件會對催化劑的性能產(chǎn)生重大影響，因此必須報告所有實驗細(xì)節(jié)，包括材料來源、化學(xué)品純度、催化劑制備方法、預(yù)處理和預(yù)處理程序、電化學(xué)測試條件等；

（3）應(yīng)采用準(zhǔn)確的方法進(jìn)行產(chǎn)品量化。







審核編輯：劉清