碳中和研究院团队在JACS发文，利用离子液体添加剂与催化位点同步调控CO₂与CO的传质行为

近日，我校碳中和研究院团队联合加拿大滑铁卢大学和中科院大连物化所等科研团队在国际顶级期刊Journal of the American Chemical Society（JACS，美国化学会志）合作发表题为“Constructing a Localized Buffer Interlayer to Elevate High-Rate CO₂toC₂₊ Electrosynthesis”的研究论文。浙江万里学院为第一单位，陈忠伟、余爱萍和王新为论文通讯作者。JACS是化学领域顶级期刊，致力于发表化学及交叉领域的高影响力原创研究，2024年影响因子为14.5。

摘要

在碳中和背景下，CO₂电催化还原（CO₂RR）制备高附加值多碳化学品（C₂+）是能源转化领域的重要方向。在工业级高电流密度下，如何同步调控CO₂与CO的传质行为，即如何在提升CO₂的传输速率时，延长中间体CO的催化剂表面停留时间，是突破浓差极化限制的核心难题。针对上述挑战，研究人员通过分子-微环境-器件多尺度设计，提出了一种创新的“局部缓冲中间层”策略，利用离子液体添加剂与催化位点协同调控，为高电流密度CO₂电解提供了关键解决方案。

文章导读

缓冲层设计：离子液体构建CO“缓冲层”

选择性限域CO：通过系列添加剂筛选和添加量对比解析，发现在催化剂表面引入Emim-PF₆缓冲层，通过C-F键与CO偶极-偶极作用，结合氢键网络将CO局域停留时间延长3倍（从200秒增至600秒），分子动力学模拟显示CO扩散系数降低40%。

催化剂工程：Cu₂O动态再生机制

原位电沉积调控：在含有IL添加剂的Cu基前驱体电解液中，原位电沉积制备多孔Cu₂O催化剂，IL分子通过静电作用锚定于Cu表面，形成“含氧物保护层”（XPS深度剖面证实表层Cu⁺占比超过80%）。

性能突破：工业级电流密度与超稳运行

1 cm²电解池：在0.5 M KHCO₃ + 0.2 M Emim-PF₆电解液中，C₂₊部分电流密度达1.30 A/cm²（总电流1.41 A/cm²），法拉第效率（FE）超90%（乙烯FE 64%），连续运行200小时性能衰减低于5%。

100 cm²放大验证：单程碳转化率35%，C₂₊产率196 mmol/h，碳损失仅5.3%（传统阴离子膜体系达70%），60小时恒流测试中总电流维持70 A，FE波动小于10%，为迄今报道的最高稳定性规模数据。

全链条机理验证

原位红外光谱（ATR-FTIR）：捕获到CO（2050 cm⁻¹）和CHO（1720 cm⁻¹）中间体的动态积累，证实IL层促进CO覆盖度提升至临界阈值（~0.5 ML），触发C-C偶联。

有限元模拟：多物理场模型显示，IL缓冲层使电极近表面CO浓度梯度锐化（峰值浓度提升2.8倍），而CO₂浓度仅下降12%，实现“保CO₂限CO”的精准调控。

产业化启示

兼容现有产线：电沉积工艺可直接集成于商用气体扩散电极（GDE）制备流程，IL添加剂成本占比小于5%。该策略首次在百平方厘米级电解池中实现安培级电流下的长期稳定运行，为CO₂电解系统的规模化应用提供了新范式。

原文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c04129