Nature Energy：无惧SO2，直接催化工业废气电化学还原！

一、【科学背景】

电化学CO₂还原（CO₂R）采用可再生电能为能源，将CO₂转化为燃料和化学原料，这为实现“双碳”目标提供一种新的思路。然而迄今为止，该领域一直专注于高纯度CO₂的电催化转化。但是从空气或工业废气提取高纯度CO₂反应物流的成本很高，需要的能量和步骤与电催化转化一样多甚至更多。直接空气捕获系统可以为后续的CO₂R产生高纯度的CO₂，但是成本太高。因此，急需开发直接催化高浓度CO₂工业废气电化学还原的反应。但是目前该领域的研究受限于工业废气中SO₂，它会迅速且不可逆的使催化剂中毒。

二、【创新成果】

基于以上难题，加拿大多伦多大学David Sinton院士、新西兰奥克兰大学王子运教授和上海交通大学李俊副教授（共同通讯作者）以及Edward H. Sargent院士等人在Nature Energy发表了题为“Improving the SO₂tolerance of CO₂reduction electrocatalysts using a polymer/catalyst/ionomer heterojunction design”的论文，揭示了CO₂R共投料SO₂/CO₂时多碳（C₂+）选择性低的原因，具体为SO₂很容易与催化剂上吸附的氢（*H）发生加氢反应，导致催化剂表面积聚集*H和*S物种，覆盖活性位点，阻碍了CO₂的吸附，从而引发析氢反应（HER）和C₂+选择性的下降。受此启发，研究人员开发一种抗SO₂中毒的催化剂（聚合物/催化剂/离聚物异质结构）。其可在150 h（100 mA cm^-2）内对C₂+产品保持约50%的FE。此外，将该策略扩展到高表面积复合催化剂上，在含有400 ppm SO₂的CO₂气流中实现了C₂+产品的电化学合成，其FE值高达84%，局部电流密度高达790 mA cm^-2，能源效率为~25%，这一性能与使用纯CO₂的最佳值相相当。

研究人员使用含有微量SO₂（10 ppm）的CO₂气流（50%，以N₂平衡）进行初始测试表明，在电解后2 h内，低浓度的SO₂将C₂+产物（FE C₂+）的FE从64%降解到36%。在相同的电解条件下，SO₂浓度增加到400 ppm导致FE C₂+在10 min后迅速降低到23%，在2 h进一步下降到11%。

图1 SO₂中毒机制研究© 2024 Springer Nature

研究人员在Cu/PTFE电极上涂上厚度约为10 nm的PFSA离子聚合物薄层，形成平面PFSA@Cu/PTFE电极，用于进行SO₂耐受CO₂电解研究。

图2在改进的平面Cu电极上进行SO₂耐受CO₂电解© 2024 Springer Nature

图3用于CO₂和SO₂共电解的改性块状Cu电极的结构和性能© 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

本研究表明，CO₂电解不仅可以在存在中毒杂质的情况下进行，而且其性能和稳定性在该领域也能跻身前列。本研究阐明了CO₂R催化剂的SO₂中毒机理，并将结果应用于开发一种抗中毒催化剂。研究人员将这种方法扩展到高表面积催化剂，以证明在高能效和电流密度下运行时的抗杂质能力。在高电流密度下，烟气的直接转化解决了捕获和资本成本问题，从而消除了工业CO₂转化的两个关键障碍。

原文详情：Improving the SO₂tolerance of CO₂reduction electrocatalysts using a polymer/catalyst/ionomer heterojunction design(Nature Energy,2024, DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9)

本文由赛恩斯供稿。