通过电化学CO2电解法生产的烃类燃料或原料可作为化石碳源的可再生替代品。气体扩散电极（GDE）由位于多孔固体载体上的固体电催化剂组成，该多孔催化剂位于导电电解质和CO2气体的界面附近，被证明可提供未来商业化所需的大电流密度。这些较高的反应速率通常归因于存在三相界面，其中固体，液体和气体分别提供电子，水和CO2。相反，电化学反应的机理研究则涉及到完全两相的反应界面，其中气体分子通过在电解质中的溶解和扩散而到达电催化剂的表面。由于原子三相反应与两相反应之间的差异对催化剂、气体扩散层和电池结构的设计有重大影响，阐明围绕三相区域的术语和控制现象的细微差别至关重要。
有鉴于此，美国国家可再生能源实验室（NREL）Wilson A. Smith，Nathan T. Nesbitt报道了采用多尺度方法来阐明在GDE上进行CO2电解的三相区域的现象和命名。具体来说，研究人员利用完善的科学理论和观察到的实验数据来解决，究竟是原子的三相反应界面还是两相反应界面对观察到的是造成GDE上CO2R反应活性的主要原因。
文章要点
1）研究人员研究了GDE的润湿特性（暗示其中可能存在水分布），以及CO2R GDE的电化学结果，这些观察结果证实了CO2从气体通过液体到催化剂的短距离扩散。此外，考察了不同相及其边界中反应物和产物的分子规模传质和高能学，结果表明，CO2R主要发生在液体覆盖的催化剂中。该结果与用于燃料电池中HOR和ORR电极的空间电流分布的传统模型相似。选择这些电化学系统与CO2R对比是因为其消耗反应物气体，尤其是ORR消耗水并产生与CO2R相似的OH-。这些体系表明，反应主要发生在气液界面的10 – 1000 nm范围内。在较高的电流密度下，电流被限制在离界面更近的地方。
2）结果表明，CO2R应像HOR和ORR一样受水分活度和电解质浓度的调节。因此，在开发更高电流密度的CO2R反应器时，应同时关注CO2向催化剂的扩散以及保持适度的电解质浓度，该浓度会使CO2缓慢转化为具有高水活度的碳酸氢根和在催化剂表面的微环境中具有离子电导率。此外，分析结果与大多数文献报道相反，对于CO2R，大部分GDEs的反应性和电流分布发生在双相边界，而不是三相边界。
Nathan T. Nesbitt, et al, Liquid−Solid Boundaries Dominate Activity of CO2 Reduction on Gas-Diffusion Electrodes, ACS Catal. 2020
DOI: 10.1021/acscatal.0c03319
https://dx.doi.org/10.1021/acscatal.0c03319
