【仪表网 研发快讯】电催化二氧化碳还原(CO2R)是存储间歇性可再生电能、制备高附加值碳基产品的重要方式。碱性/中性介质中CO2R的法拉第效率(FE)和电流密度虽有显著提升，但碳酸盐沉积限制了CO2单程转化效率(SPCE)；酸性介质虽能避免碳酸盐生成，却因析氢反应动力学过快，导致氢气选择性极高。目前通过施加安培级电流密度构建局部碱性微环境，并引入高浓度碱金属阳离子(≥3 M)来活化CO2和抑制析氢反应，但阳离子会阻碍质子向电极表面迁移，导致酸性体系中仍存在CO2利用率受限的问题，且表面碳酸盐累积还会引发电极稳定性下降。
近日，中国科学技术大学高敏锐和唐凯斌课题组揭示了酸性CO2R中FE和SPCE的固有矛盾，即提升K+浓度虽可增强FE，却会以牺牲SPCE为代价。为打破FE和SPCE的固有矛盾，研究团队在SnO2上修饰聚酰亚胺，利用其丰富的胺基动态捕获质子，成功在pH=1.36、K+浓度低至0.1 M的酸性体系中同时实现了95.7%的SPCE和96%的HCOOH FE。相关成果近日以“Acidic CO2Electrolysis with Near-Ideal Selectivity and Carbon Efficiency Enabled by Overcoming Its Inherent Trade-Off”为题发表于《德国应用化学》上(Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202503539.)。论文的共同第一作者为中国科大博士研究生池丽萍、张玉才和牛壮壮。
图1.酸性CO2R中FE和SPCE的权衡关系示意图。
研究人员通过电化学仿真模拟与实验研究，探索了不同浓度的H+和K+对电极表面微环境(pH、CO2浓度和碳酸盐比例)和CO2R性能(FE、SPCE和稳定性)的影响，揭示了酸性CO2电解体系中FE和SPCE的固有矛盾，即提升K+浓度虽可增强FE，却会以牺牲SPCE为代价(图1)。
为克服酸性CO2R中的内在权衡，研究人员在SnO2纳米颗粒上修饰聚酰亚胺(PI-SnO2)，这种耐酸性胺基聚合物可通过其丰富的-N-官能团捕获H⁺，从而减少电解液中自由H⁺浓度。他们通过HER极化曲线、原位拉曼及原位红外测试(图2)，证实了聚酰亚胺在酸性CO2电解条件下能有效抑制H⁺向电极表面扩散，从而提高电极表面局域pH，促进关键中间体*OCHO的生成。在300 mA cm⁻⟡，PI-SnO2实现了96%的HCOOH FE，且在CO2流速为1 sccm下，PI-SnO2的SPCE高达96%，超越了此前报道的碱性、中性和酸性(高K⁺浓度)条件下的CO2电解性能。
图2.聚酰亚胺修饰策略调控电极表面局域微环境。
相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划等项目的资助。
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