催化剂穿“新衣”：构筑高效物质传递通道

　　利用电能将二氧化碳（CO2）转化为高附加值化学品，是应对能源与环境双重挑战的重要技术路线。当前，膜电极反应器（MEA）是最具实际应用潜力的电催化CO2转化反应器，其使用的气体扩散电极（GDE）中的催化剂层是发生电极反应的主要场所，对于催化性能有着十分显著的影响。然而，在传统方法构建的催化剂层中，常常存在着离聚物（ionomer）分布不均的情况，造成催化活性位点利用率低、CO2传质及离子传导受限等现象，使得在面向工业化应用的高电流密度下实现高效的电催化转化面临巨大挑战。

　　针对这一问题，天津大学新能源化工团队开发了一种离聚物限域的策略，使离聚物被限制在催化剂的周围，从而优化了催化剂层内离聚物的分布并在催化剂层内构建了高效的传质通道，实现了催化性能的提升。相关研究“Confinement of ionomers for electrocatalytic CO2?reduction reaction via efficient mass transfer pathways”发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），天津大学硕士生杜晓伟和天津大学张鹏博士为共同第一作者，巩金龙教授为通讯作者。

　　

　　催化剂层内高效传输通道的建立有利于能量利用效率和产物选择性的提升

　　研究者团队首先通过在催化剂制备的过程中引入离聚物，使得离聚物被“限制”在催化剂的周围，如同给催化剂裹上一件轻薄的外衣。如图1所示，通过透射电镜、元素能谱分析以及透射红外，可以看到离聚物均匀的分布在催化剂的周围。这种裹有离聚物“外衣”的催化剂，在4 cm2的MEA反应器中呈现出优异的催化性能（在600 mA cm-2电流密度下CO FE＞90%）。同时，实现了在300 mA cm-2的电流密度下稳定运行超过220 h。

　　

　　图1（a,b）透射电镜图像，（c）元素能谱分析图，（d）透射红外数据图，（e,f）产物法拉第效率图，（g）稳定性测试图。

　　结构表征显示，这种将离聚物限制在催化剂周围的策略，使得电极具有更加丰富的孔结构（如图2所示）。催化剂层内的物质传输与孔结构以及离聚物“外衣”密切相关，因此这一方法仿佛在催化剂层内“编织”了一张有利于物质传递的高效“运输网络”。

　　

　　图2（a,b）优化后电极的SEM图，（c,d）传统方法制得电极的SEM图，（e）优化后电极的FIB-SEM及元素分布图（标尺：2 μm），（f）传统方法制得电极的FIB-SEM及元素分布图（标尺：2 μm）。

　　随后，研究者还利用电化学方法（电化学阻抗谱分析、CO2分压实验）对其进行了表征（图3）。根据更低的低频阻抗以及低CO2浓度下更高的催化性能可以进一步的确定：通过给催化剂裹上离聚物的“新衣”有助于优化其在催化剂层内的分布，进而强化催化剂层内的物质传输，实现高效催化CO2还原。

　　

　　图3（a）催化剂层结构示意图，（b）EIS测试图，（c）不同CO2分压下的催化性能图。