鑽石舞台

利用電化學手段將二氧化碳還原成具有附加值的化學品和燃料為實現碳中和經濟提供了一種具有前景的途徑。目前，通過整合疏水氣體擴散電極（由負載了催化劑的氣體擴散層構成），通氣流動電解池可以將氣態CO2在催化劑表面的擴散長度降低至nm級，從而使電化學二氧化碳還原性能實現高電流密度 （> 200 mA cm-2）和高法拉第效率（ > 80%）。

近日，澳大利亞蒙納士大學的電化學課題組以商業化親水性碳基擴散層為研究對象，通過設計一種疏水性分級策略，將聚四氟乙烯（PTFE）納米棒以分級形式分布在親水性碳基擴散層上，構建了具有分級的疏水性，透氣性和孔徑分布的疏水氣體擴散層用於穩定電化學二氧化碳還原。

該研究開發的疏水分級策略由碳纖維骨架均勻疏水化工藝和局部疏水強化工藝兩個工藝構成。前者致力於將低負載量的PTFE納米棒均勻分布在整個碳纖維骨架上以獲得一個具有均勻疏水環境的碳基擴散層。後者側重於將具有相對更高負載量和疏水性的PTFE微孔層均勻粘附在疏水碳基擴散層一側以優化碳基擴散層的疏水性，透氣性和孔徑分布。

最終，在相同的膜電極測試條件下，負載Ni單原子催化劑的疏水分級氣體擴散電極在電化學二氧化碳還原中表現出高於對應的商業化疏水氣體擴散電極16倍的穩定工作時間。該工作為解決應用於通氣流動電解池中的電化學二氧化碳還原反應的固有問題提供了一種新策略。然而，電化學二氧化碳還原過程中的一些副反應，如K+從陽極跨膜滲透至陰極並進一步與陰極產生的碳酸/碳酸氫根離子反應，使得陰極逐步出現鹽析現象。這阻礙了催化劑與CO2和水分子的有效接觸，並且導致電極的疏水性逐漸減弱，使氣體擴散電極快速水淹並進一步降低氣態CO2的擴散速度，最終造成電化學二氧化碳性能快速衰減。未來，進一步改進氣體擴散電極結構以及交換膜的選擇透過性有望為實現電化學二氧化碳還原商業化應用提供技術解決路徑。