南京大学钟苗Angew：借助定量反应-输运模型，实现CO电还原为C2H4能量效率提高

在水介质中电催化CO还原合成乙烯(C₂H₄)是一种热力学上坡的过程(CO+H₂O→C₂H₄+O₂，ΔrG^θ=817.4 kJ mol^-1)。在能量强化的膜电极组装(MEA)系统中，这个电化学过程能够提供工业相关电流密度(>100 mA cm^-2)。

强碱性电解质中的CO电还原(COR)过程已被证明在抑制竞争HER的同时对CO-C₂₊的转化有效。这种碱性CO电解过程避免了碳酸盐的形成问题，提供了更高的碳利用效率。并且在阳极上使用FeNi基电催化剂进行OER进一步降低了器件的成本。

在此背景下，提高基于MEA的CO-C₂₊和CO-C₂H₄电合成能量效率(EE)和法拉第效率(FE)是推进这项技术的核心。尽管最近在电催化剂开发和电解质工程方面的努力已经将CO-C₂H₄ FE提高到>65%，但高的操作电位(2.3-3.1 V)仍限制了基于MEA的系统的实际应用。

近日，南京大学钟苗课题组报告了一个定量反应-输运框架，该框架根据动力学和反应途径解耦了COR EE和FE。

研究人员确定了两个关键描述符(即(i₀S^*/ρ_lq)^-1/2和1-exp(-b/S^*))，其中包括体积交换电流密度(i₀S^*)、体积电阻(ρ_lq)和结构诱导的中间体表面保留(与体积比表面积S*成比例)作为控制CO-C₂H₄能量学和选择性的关键因素。

本文利用模型设计了一种高活性电合成纳米网络。这种纳米网络的特点是高体积密度和纳米尺度的位置间距集成在一个高效的反应和传输框架内。该体系显著提高了CO-C₂₊和CO-C₂H₄电合成过程的能量效率和选择性。

更具体地说，制备了高活性的Nafion包裹的Cu⁺-Cu界面催化剂，以在高K⁺浓度电解质存在下加速*CO-*CO耦合动力学。随后，这些高活性催化剂密集排列在分层的2 μm厚的多孔电极中(PTFE@C/Nafion@Cu₂O-Cu NSs/Cu/PTFE，PTFE：聚四氟乙烯)，以产生增强的体积活性位点密度。

在25 cm²膜电极组件中，4 A时的全电池COR电位降低到1.87 V，并且在稳定运行大于100小时过程中实现50%和90%的C₂₊ EE和FE，以及40%和71%的C₂H₄ EE和FE。

更重要的是，该策略还适用于制造高体积网站密度Bi和Ag NS电极，并提高了它们的CO₂电还原产生甲酸盐和CO的能量效率，证明该项工作所提出的概念适用于不同的电催化系统。

Energy efficiency limit in CO-to-ethylene electroreduction and method to advance towards. Angewandte Chemie International Edition, 2025. DOI: 10.1002/anie.202502690

钟苗，研究员，博士生导师。本科和硕士毕业于上海交通大学，2012年获日本东京大学工学博士学位。之后分别在日本学术振兴学会(JSPS)、东京大学、日本国立新能源综合开发机构(NEDO)、加拿大多伦多大学从事博士后、特任研究员的研究工作(2012-2018)。2018年入职南京大学。研究领域为电/光热催化与反应表界面、CO₂/CO等小分子高值化转化。迄今，以第一或通讯作者等在Nature、Nat. Catal.、Nat. Commun.、JACS、Angew.、Energy Environ. Sci.等高影响力学术期刊上发表多篇论文，多项工作作为研究亮点被新闻报道。