Nature Catalysis！一氧化碳电还原耦合阳极氧化提高乙酸的选择性

成果展示

一氧化碳（CO）的电催化转化技术作为串联CO₂电解的关键组件正在得到积极的发展。为了提高多碳产物的选择性，研究人员一直致力于设计CO还原电催化剂，但是很少有工作集中在对CO电解商业化至关重要的其他性能参数上，例如液体产品浓度和纯度。基于此，美国特拉华大学焦锋教授（通讯作者）等人报道了一种内部耦合纯化策略，以显著提高CO电解中的乙酸盐浓度和纯度。

该策略是基于Cu阴极催化剂、Ni-Fe阳极催化剂和阴离子交换膜（anion exchange membrane, AEM）的CO电解槽，利用具有高乙醇渗透性的碱性稳定AEM和选择性乙醇部分氧化阳极来控制CO还原产品流。作者展示了CO电解槽在200 mA cm^-2的电流密度和< 2.3 V的全电池电压下稳定连续运行120 h，连续产生纯度为97.7%的1.9 M乙酸盐产品流。通过调整反应条件，进一步将乙酸盐产品流提高到7.6 M的浓度，纯度>99%。此外，技术经济分析表明，高度浓缩的液体产品流对于降低产品分离的能耗至关重要。

背景介绍

电化学CO₂还原（eCO₂R）使用CO₂作为原料以生产各种增值化学品，并使用电力作为唯一能源。然而，直接eCO₂R在碱性条件下会形成不需要的碳酸盐、能量效率低以及单程CO₂转化为所需产品的转化率低。通过使用改进的材料和反应器设计，在直接eCO₂R中克服这些问题已取得了进展。一是两步串联电解：CO₂首先通过电化学方式转化为CO，然后通过电化学CO还原（eCOR）进行后续转化。eCOR可以在较低的电池电压下实现对所需多碳（C₂₊）产品的高转化率，也可在碱性环境中进行且不会形成任何碳酸盐。

在Cu催化的COR中观察到四种主要C₂₊产品，分别是乙烯、乙醇、正丙醇和乙酸盐。然而，已报道的大多数研究并未生产出高浓度或纯度的所需产品，并且经常受到低的CO转化率困扰。浓缩的产品流（尤其是液体产物）对于最大限度地降低与产品分离和电解质回收相关的成本非常可取，但是很少见到高浓度的液体产品来自传统的CO电解槽。此外，在eCOR和eCO₂R中，大多数膜电极组件（MEA）研究都集中在阴极催化剂的工程、催化剂-膜界面的调整和电池设计的改进，很少有报道离子在膜和阳极电催化剂上的传输对CO电解槽整体性能的影响。

图文详情

图1. eCOR生产浓缩乙酸盐流

图2.醇的部分氧化对选择性的阳极影响

图3.膜交叉率对eCOR选择性的影响

图4.评估再循环乙酸盐生产的技术经济性

总结

总之，作者提出了一种内部耦合的CO电解纯化策略，以生产高纯度、浓缩的乙酸盐产品流。通过在CO电解槽中加入选择性乙酸部分氧化阳极和可渗透酒精的阴离子交换膜，从阴极快速转移乙醇产品以及在阳极进行乙醇部分氧化，显著提高乙酸盐的选择性。在最佳条件下，得到浓度为7.6 M、纯度>97%的乙酸盐产品流。根据技术经济分析，需要至少5 M乙酸盐的浓缩液体产品流，以最大限度地降低分离成本。该发现可能会激发对先进膜材料和阳极电催化剂的合理设计研究，针对CO₂/CO电解技术和策略，以实现高浓度产品流，尤其是液体产品。

文献信息

Enhancing acetate selectivity by coupling anodic oxidation to carbon monoxide electroreduction. Nature Catalysis, 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00828-w.

https://doi.org/10.1038/s41929-022-00828-w.

Nature Catalysis！一氧化碳电还原耦合阳极氧化提高乙酸的选择性

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