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6月4日，記者從海南大學(xué)獲悉，該校海洋科學(xué)與工程學(xué)院海洋清潔能源創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在電催化二氧化碳還原研究方面取得重要突破。該團(tuán)隊(duì)成功揭示了在低K?環(huán)境中從酸性二氧化碳電解合成甲酸的有效電化學(xué)路線，為電催化二氧化碳還原反應(yīng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程筑牢了理論根基。相關(guān)研究成果已于近日發(fā)表在《自然·通訊》上。

海洋科學(xué)與工程學(xué)院副教授王志同介紹，電催化二氧化碳還原反應(yīng)生成甲酸，被視作減少碳排放、儲(chǔ)存間歇性可再生能源的先進(jìn)碳中和技術(shù)。其中，在酸性條件下開(kāi)展電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)化，能夠有效克服傳統(tǒng)堿性電催化二氧化碳還原反應(yīng)中二氧化碳利用率低的難題，是提升二氧化碳利用率的極具潛力的途徑。然而，當(dāng)前該技術(shù)過(guò)度依賴高濃度的K?來(lái)抑制氫析出反應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致碳酸鹽沉淀，進(jìn)而干擾催化性能。

為深入探究這一機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)借助計(jì)算模擬，篩選出一種具備合適濃度場(chǎng)調(diào)節(jié)和氧化態(tài)保護(hù)能力的候選材料——碳層包覆的尖狀I(lǐng)n?O?電催化劑。實(shí)驗(yàn)表明，該催化劑可在低濃度的K?環(huán)境中，穩(wěn)定且高效地實(shí)現(xiàn)酸性電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化合成甲酸。研究發(fā)現(xiàn)，碳層的引入，不僅能保護(hù)具有更高本征催化活性的氧化態(tài)In物種免受還原腐蝕，還能通過(guò)在外部形成濃度場(chǎng)，調(diào)節(jié)H?和K?的分布，避免尖端誘導(dǎo)電場(chǎng)對(duì)H?離子的不利吸附，實(shí)現(xiàn)理想K?離子的選擇性富集。研究結(jié)果顯示，在pH值為0.94的酸性電解液中，僅需0.1M的低濃度K?，就能在300mAcm?2電流密度下，實(shí)現(xiàn)98.9%的甲酸法拉第效率，并展現(xiàn)出超過(guò)100小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性。

在進(jìn)一步的放大實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)將電極放大應(yīng)用于25cm2的電解槽裝置。在7A的總電流下，該裝置能夠持續(xù)穩(wěn)定地產(chǎn)生甲酸，生成速率達(dá)到291.6mmolL?1h?1。這一成果表明，在大電流和長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的條件下，所研究的催化劑依然能維持良好的穩(wěn)定性和較高的法拉第效率，為加速電催化二氧化碳技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程，提供了切實(shí)可行且經(jīng)濟(jì)的解決方案。