以水為質子源，電還原一氧化碳（CO）合成化學品原料（如乙烯，C₂H₄）具有經(jīng)濟性且環(huán)境友好，具備大規(guī)模應用潛力。然而，高反應電位和低法拉第效率限制了其能量效率。南京大學鐘苗教授課題組在電還原CO制C₂H₄方面取得進展。課題組通過構建定量電化學反應-傳輸模型，發(fā)現(xiàn)低體積交換電流密度和有限的中間體表面反應是限制CO 轉化為多碳產(chǎn)物（C₂₊）和C₂H₄能量效率和法拉第效率的關鍵因素。

課題組設計了一種高活性位點密度的納米網(wǎng)絡電極結構，通過將Nafion^TM包裹的Cu⁺–Cu納米片催化劑緊密排列，實現(xiàn)高體積活性位點密度（S* = 11000 cm²/cm³），顯著提升了電催化體積交換電流密度（i₀S*），從而增加CO電還原活性，降低了高電流密度下過電位。納米片催化劑之間的納米級間距（30–300 nm）促進了烯酮中間體在催化劑表面“吸附-脫附-再吸附”機制，同時抑制了烯酮與堿性電解液反應生成副產(chǎn)物乙酸鹽，提高了C₂H₄選擇性和能量效率。使用7 M KOH/3 M KF/0.1 M K₂CO₃電解液提高了K?離子濃度，增強了電催化劑表面反應動力學，同時通過碳酸根離子表面配位穩(wěn)定了催化劑表面活性物種。在25 cm²膜電極和4 A電流下，實現(xiàn)了全電池COR電位降低至1.87 V，C₂₊能量效率>50%、法拉第效率90±1%，C₂H₄能量效率>41%、法拉第效率 71±1%，穩(wěn)定運行超150小時。

研究還發(fā)現(xiàn)了能量效率指示符（（i₀S*/ρ_lq）^?1/2）和乙烯/乙酸選擇性描述符（1?exp（?b/S*）），兩種描述符解釋本項工作及已報道文獻中電還原CO的能量效率與乙烯、乙酸選擇性關系。

基于該設計思路，課題組進一步制備了高體積活性鉍基和銀基電極，在CO₂電還原制甲酸鹽和CO反應中，能量效率分別超過60%與55%，展現(xiàn)出本研究提出的能量效率提升方法在跨催化體系中的應用潛力。未來，課題組將持續(xù)提升電催化劑活性和選擇性，實現(xiàn)膜電極中的高效穩(wěn)定運行。

Energy Efficiency Limit in CO-to-Ethylene Electroreduction and the Method to Advance Toward

Jin Zhang, Haoyang Jiang, Xiaotong Zhao, Zhaoyang Liu, Le Li, Weiping Ding,  Miao Zhong

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202502690