铜基催化剂上的电催化 CO₂ 还原反应 (CO₂RR) 有可能通过将废弃的 CO2 升级为增值化合物来实现商品化学品和燃料的可持续生产。近年来，通过将催化剂制造成所谓的气体扩散电极 (GDE) 以解决 CO2 在水性电解质中溶解度低的问题，并朝着商业上可行的 >300 mA cm^-2 电流密度迈进取得了很大进展。尽管与使用 GDE 的竞争性 HER 相比，对 CO₂RR 的选择性可以大大提高，但有效生产单个 CO₂RR 产品的潜在因素仍然难以捉摸。

有鉴于此，催化大牛柏林工业大学Peter Strasser教授等人，使用流动电解槽系统来研究铜基GDE在缓冲电解液中的结构-选择性-相互关系。通过对三个参数的系统研究：(i) 颗粒催化剂负载，(ii) 离聚物与催化剂的比率和 (iii) 缓冲容量，开始理解在高反应速率下决定催化剂层选择性空间变化的结构特性。因此，描述了催化剂层内一系列具有不同选择性的区域（“选择性区域”），这些区域由反应物（CO₂ 和 pH 值）的不均匀分布引起的，控制着整体的总体选择性。

本文要点

1）报告了影响铜基CO₂电解槽在大电流下工作性能的最突出的因素。采用流动电解槽设计，CO2气体进料直接通过电极与Cu催化剂层相互作用，通过调整电极的结构可以极大地影响（本体）pH 中性介质中电化学 CO2 还原的选择性。因此，催化剂载量和离聚物含量的变化会深刻影响CO₂RR的选择性。

2）还提出了一种特殊方法，可以使用氧还原反应 (ORR) 限制电流测量来对流通池中的反应物质量传输进行基准测试。分析表明，由于不存在局部 CO₂ 浓度限制，因此非常需要限制质量传输，因为它与局部碱化和 pH 依赖性反应产物的相应抑制有关。

3）在 50~700 mA cm^-2 的阴极电流范围内进一步展示了电极结构如何用于将观察到的催化 CO₂ 还原选择性推向 C1 或 C2+ 产物，这取决于离聚物含量和催化剂负载。

参考文献：

Tim Möller et al. The product selectivity zones in gas diffusion electrodes during the electrocatalytic reduction of CO₂. Energy Environ. Sci., 2021.

DOI: 10.1039/D1EE01696B

https://doi.org/10.1039/D1EE01696B