電化學CO2還原(CO2R)反應為解決溫室氣體排放和可再生化學燃料生產提供了一種很有前景的策略。在過去的幾十年里，人們一直致力于提高CO2R的活性和選擇性，特別是在將CO2轉化為CO和HCOOH方面，其在大規模實施方面顯示出了很好的技術可行性。
盡管CO2R選擇性和活性在堿性電解質中最高，但其低CO2利用率和氫氧根離子的大量消耗造成了大量能量損失，這大大降低了堿性電解槽在實際應用中的長期穩定性。因此，酸性CO2R有望被應用于利用可再生電力合成低碳化學物質。然而，催化劑在強酸中的腐蝕導致嚴重的析氫反應(HER)和CO2R性能的迅速惡化。
基于此，南京大學鐘苗課題組提出了一種基于修改電極結構的策略，即通過在CO2R催化劑上加入非導電離子轉運調節層，抑制了陽離子和陰離子的擴散，特別是OH?陰離子的擴散。
實驗結果表明，在反應過程中富氫氧化物層保持了與催化劑表面的直接接觸，這為在近中性pH下的電解質/催化劑界面創造了一個固有的穩定環境，以保護催化劑在強酸中長期CO2R反應中免受腐蝕。
此外，涂層的納米孔特性進一步阻礙了催化劑表面附近離子的電流體流動，導致其結構中形成高濃度的鉀離子(K+)和接近中性的OH?濃度。
基于以上結果，顯著提高了CO2R活性和耐久性，以及降低了電化學歐姆損耗。此外，研究人員將這種表面涂層策略應用于三種不同的催化劑(SnBi、Ag和Cu)，以便在擴展的CO2R應用中持久生產HCOOH、CO和C2+產物。
以CO2R電化學轉化為-HCOOH轉換為例，在100 mA cm?2電流密度pH為1的條件下，連續反應125個小時后CO2的單通碳效率(SPCE)達到76%、甲酸法拉第效率(FE)>90%以及陰極能源效率達50%。因此，這種電極結構工程策略有助于實現在酸性介質中實現高CO2利用率的無HER、高效和穩定的CO2R反應。
Achieving High Single-Pass Carbon Conversion Efficiencies in Durable CO2?Electroreduction in Strong Acids via Electrode Structure Engineering. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202300226
