通讯单位：中国科学院化学研究所
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背景介绍
近几十年来，大气中CO2含量急剧增加，导致了严重的环境问题，如全球变暖、海平面上升和厄尔尼诺现象。科学界已经提出了各种方法来降低大气中的CO2含量。比如，电化学CO2还原反应（CO2RR）是一种很有前景的解决方案，它不仅可以在环境条件下将CO2转化为关键的化学原料和燃料，而且为可再生能源的储存提供了一种可行的方法。然而，CO2RR的低产率限制了其商业化的前景。因此，设计高活性催化剂和优化反应体系，对于促进商业化的发展至关重要。
最近 道显示，使用流通池（方案1A）显著提高了CO2RR的效率。在流通池中，催化剂沉积在气体扩散电极(GDE)上，从而增强了CO2、催化剂和液体电解质之间三相边界区域的接触（方案1B）。与H-Cell相比，这使得CO2能够快速输送到催化剂中，通过降低传质限制而获取更高的电流密度。由于H2O被用作反应的质子源，因此，水和CO2与催化剂的接触对反应产率至关重要。众所周知，催化剂表面通常是亲水的，并且在反应过程中会完全水合。由于CO2在水性电解质中的溶解度非常有限（室温下，在H2O中为33mM），CO2扩散到催化剂层是反应的传质限制步骤（方案1B）。此外，析氢反应(HER)可以发生在被H2O润湿的催化剂表面。因此，增强CO2在催化剂层中的扩散是提高CO2RR效率的关键因素之一。
多孔有机笼（POCs），作为一种具有高孔隙率、吸附能力和优异稳定性的多孔分子材料而受到广泛关注。POCs是一种共价键合的有机笼，可组装成独特的晶体结构，具有广泛的应用前景。特别是，POCs已被广泛用于气体吸附和分离，因为它们表现出不同的笼形结构和不同的气体吸附特性。例如，CC3，作为具有代表性的POCs，在分离CO2和混合气体时，CC3的孔隙可以用作CO2通道。此外，在水基电解质下，POCs可以捕获CO2，因为POCs表现出对CO2的强吸附。
图 解析
方案1.(A)流通池示意图。阴离子交换膜(AEM)促进OH-从阴极到阳极的传输。GDL，气体扩散层。(B)普通气体扩散电极(GDE)中的三相界面。(C)带有CC3的GDE中的CO2扩散。
图1.(A)晶体结构中CC3和笼-笼堆叠的结构示意图。为清楚起见省略了氢原子。碳和氮原子分别为灰色和蓝色。(B)CC3、CuO-nr和CuO-nr/CC3的XRD图谱。(C)GDE的能量色散X射线光谱(EDS)图。(D)CuO-nr/CC3 GDE的横截面SEM图像。(E)CuO-nr/CC3催化剂层的局部放大SEM图像，黑色虚线区域为CuO-nr，红色虚线区域为CC3；插图显示了红色虚线圆圈区域的局部放大图像，比例尺：200nm。(F)在CO2RR期间，Cu-nr/CC3在不同电位的CuK-edge XANES 光谱。(G)在CO2RR期间，Cu-nr/CC3在不同电位对应的傅里叶变换FT(k3w(k))。
图3.(A) CC1和CC2的结构示意图。为清楚起见省略了氢原子。碳和氮原子分别为灰色和蓝色。(B)在CO2RR期间，Cu-nr/CC1、Cu-nr/CC2和Cu-nr/CC3在不同电位下的电流密度。(C)CC1、CC2和CC3的CO2吸附。(D)CC1、CC2和CC3中，CO2在298K时的MSD。
图4.(A) Ag-np-c/CC3和Ag-np-c在不同电位下的电流密度。(B)Ag-np-c/CC3和Ag-np-c在不同电位下的COFE。(C)Bi2O3-ns-c/CC3和Bi2O3-ns-c在不同电位下的电流密度。(D)Bi2O3-ns-c/CC3和Bi2O3-ns-c在不同电位下的HCOO-FE。
总结与展望
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