近日，大湾区大学（筹）理学院姚瑶助理教授与香港科技大学邵敏华讲席教授合作，在酸性电解质中CO₂电化学还原过程的电极/电解质界面研究中取得新进展。相关成果以 “The Electrode/Electrolyte Interface Study during the Electrochemical CO₂ Reduction in Acidic Electrolytes”为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie）上。姚瑶为本论文第一作者和共同通讯作者，大湾区大学（筹）理学院为第一完成单位。该研究工作得到香港研究资助局、香港创新科技署、广东省基础与应用基础研究基金项目的资助。

研究背景

酸性电解质中的二氧化碳电化学还原（CO2R）因其比碱性体系具有更高的碳效率和稳定性而受到广泛关注。其中，CO2R的质子来源是一个关键因素，它可能改变对CO2R决速步的理解。H₂O，而不仅是H⁺，也应该作为CO2R的质子源被考虑——这在以往的研究中几乎未被讨论。

研究成果

在本研究中，作者利用旋转环盘电极（RRDE）和表面增强红外光谱（SEIRAS）技术，研究了酸性电解质中CO2R和析氢反应（HER）过程中的电极/电解质界面。本工作选用多晶Au作为模型电极，原因如下：1）在CO2R过程仅产生CO和H₂；2）能选择性地氧化CO而非H₂；3）有表面增强效应，适于SEIRAS研究。RRDE结果表明，即使在酸性电解质中，H₂O而非H⁺是CO2R的质子源——这意味着电极/电解质界面的中性或碱性环境对CO2R是必要的。此外，在KHCO₃电解质中CO形成的过电位比酸性电解质低~0.2 V，表明电极/电解质界面pH对CO2R过电位有影响。由于H⁺对H₂O还原的塔菲尔斜率没有影响，H⁺不参与H₂O还原的决速步。然而，H⁺的存在会导致H₂O还原的过电位升高。在SEIRAS测试中，CO2R电位下，溶解的CO₂—CO₂(aq)在~2343 cm⁻¹处的红外峰为负值，而在无CO2R电位下消失。相比之下，CO₂(g)的红外峰则随机显示正负。这直接证明了， CO₂(aq)是CO2R的实际反应物，该体系中的CO2R是一个两相反应。RRDE结果表明，在酸性、中性和KHCO₃电解质中，CO生成电流与旋转速率呈正相关，CO2R性能受CO₂(aq)传质的影响。这项研究加深了对酸性电解质中CO2R过程中电极/电解质界面的理解，为进一步提高酸性电解质中CO2R性能提供了新的见解。

HER和CO2R在酸性电极/电解质界面（a）和中、碱性电极/电解质界面（b）的示意图

文章链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202415894