on mpa-from-tpl="t" style="white-space: normal;">12px;">ground: rgb(255, 255, 255); align-self: center; margin-top: -7px; z-index: 2; transform: rotate(-45deg);">
10px; height: 3px; margin-top: -2px; background: rgb(255, 255, 255); z-index: 1;">
在2022年3月3日，美国辛辛那提大学（UC）Jingjie Wu和美国劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）Adam Z. Weber（通讯作者）等人报道了一种分段气体扩散电极（segmented gas-diffusion electrode, s-GDE）结构，用于选择性地将CO2还原（CO2R）转化为C2+产物。s-GDE在GDE的入口端集成了一个CO选择性催化剂层（catalyst layer, CL）段，在GDE的其余部分集成了一个Cu CL段，从而能够沿电极长度在平面内对*CO表面覆盖率（θ*CO）进行空间管理。
通过优化Cu/Ag s-GDE中Cu和Ag的相对长度和负载量，作者最大化了CO在Cu CL段中的停留时间，与非分段Cu/Ag GDE相比，CO利用率提高了300%。此外，作者发现使用优化的 Cu: Ag面积比1.00: 0.05可以使C2+局部电流密度（jC2+）比纯Cu增加了250%。CO2 R性能沿电极长度的映射和多重物理建模进一步证明了PCO和jC2+之间的密切相关性，表明jC2+在入口区域达到最大值，并随着CO选择性催化剂上生成的CO的消耗而逐渐衰减（即PCO下降）。
基于上述取得成果，作者开发了一种s-GDE，由Cu和单原子铁（Fe-N-C）CL段组成，在jC2+超过1 A cm-2和40.1%的CO2转化为C2H4的半电池能量效率下实现了90%的C2+ FE。该工作提供了对串联电极设计原理的深入理解，同时提高了C2+产品的选择性和生产率。
利用可再生能源将CO2电化学还原（CO2R）为增值化学品，为生产燃料和化学品提供了一条可持续的途径，同时减少CO2排放。在从CO2R生成的产物中，多碳（C2+）产物是最理想的，因为它们可作为化工原料。在CO2R催化剂中，只有铜（Cu）基催化剂具有生成C2+产物的能力，其中决定C2+产物的局部电流密度（jC2+）的速率决定步骤的动力学取决于吸附的CO（*CO）的吸附能，随后取决于*CO表面覆盖率（θ*CO）。由于θ*CO由催化剂附近的CO浓度决定，因此通过增加局部CO浓度可以提高Cu上C2+产物的产率。
级联CO2R系统在两个不同的催化位点上集成了两个连续的CO2转化为CO和CO转化为C2+步骤，可以增强Cu表面上的θ*CO。在这些系统中，一种催化剂选择性地将CO2转化为CO，以提供原位CO源，从而提高θ*CO，而含Cu催化剂进行C-C偶联。然而，如果CO生成速率超过C-C耦合速率，则CO利用率和C2+法拉第效率（FE）会降低，因此需要平衡原位CO形成速率，以最大限度地提高C2+ FE，同时保持高jC2+。
研究发现，层状气体扩散电极（layered gas-diffusion electrode, l-GDE）可有效解决上述问题，其中CO选择性催化剂层（catalyst layer, CL）置于在C2+选择性Cu CL上。I-GDE的灵感来自于活塞流反应器（plug-flow reactor, PFR）中的反应物转化率高于连续搅拌釜式反应器（continuous-stirred-tank reactor, CSTR）中的反应，用于具有正反应级数的反应。但是，l-GDE仅在微米尺度上控制沿贯穿平面方向的PCO，而无法在厘米尺度上控制沿电极长度方向的PCO。
s-GDE的设计
在文中，作者设计了两种包含Ag和Cu CL段的s-GDE（堆叠和共面）结构。在堆叠配置中，Cu和Ag CL段在长度（y轴）和平面（z轴）方向上都存在于不同的层中。在共面配置中，Cu和Ag CL段在z方向上为单层。其中，Ag CL段与CO2气体入口对齐，以使进入的CO2快速转化为补充CO源，从而增强θ*CO并在随后的Cu CL段中转化为C2+产物。
为了进一步评估CO浓度对 s-GDE时C2+产生速率的影响，作者制备并测试了五种不同的堆叠Cu/Ag s-GDE，它们具有不同的Cu和Ag CL面积比值。Cu CL的面积保持在1.00 cm2，而Ag CL具有相同的宽度，但其长度从0.10 cm到2.00 cm不等（即面积在0.05-1.00 cm2间）表示为Cu/Ag（x: y）s-GDE，其中x和y分别代表Cu和Ag CL的面积。在施加相同的电压下，与Cu GDE相比，所有s-GDE都提供了更高的C2+产物产率。随着Ag CL面积从1.00 cm2缩小到0.05 cm2，C2+产物和jC2+的FE都逐渐上升。其中，Cu/Ag（1.00: 0.05）s-GDE表现出最高的C2+ FE和jC2+，因为其产生最高浓度的CO，并实现了最高的CO利用率。
图3. Cu: Ag面积比对s-GDE内CO2R性能的影响作者利用Langmuir吸附模型模拟在s-GDE和流动通道内的气相CO和CO2传输，以估算实验测试的s-GDE中的局部θ*CO。从l-GDE（Cu/Ag 1.00: 1.00）移动到具有高浓度Ag层（Cu/Ag 1.00: 0.05）的s-GDE增加了θ*CO在催化剂层内实现。随着Cu: Ag面积比的增加，Ag CL中CO的形成发生在靠近入口的集中端，从而提高了CO的局部浓度，导致在Ag/Cu边界附近局部增加的θ*CO沿着Cu CL长度减少，接着CO被消耗形成C2+。在CL中实现的平均θ*CO作为恒定jC2+下Cu/Ag面积比的函数，表明在相同的jC2+条件下，Cu CL中的平均θ*CO随着Ag层长度的增加而缩小。
图4. s-GDE中的质量传输和CO吸附的多物理场模型为了确定最佳催化剂配对，作者比较了三种CO选择性催化剂的s-GDE性能：Ag、ZnO和Fe-N-C。其中，Cu/Fe-NC s-GDE在低过电位下提供了生成C2+产物的最大机会，在2.89 V下实现了87.3%的最大C2+ FE和437.2 mA cm-2的jC2+。为在Cu/Fe-N-C s-GDE上实现更高的jC2+，Cu和Fe-N-C负载量都加倍（即Cu负载量为0.80 mg cm-2）。在负载量加倍后，Cu/Fe-N-C s-GDE在3.38 V下实现了1071.7 mA cm-2的jC2+和89.3%的C2+ FE。此外，在jC2H4为761.7 mA cm-2时，C2H4 FE上升至63.5%。流通池中C2H4的半电池能量效率为40.1%，而全电池能量效率为16.9%。
Highly selective and productive reduction of carbon dioxide to multicarbon products via in situ CO management using segmented tandem electrodes.Nature Catalysis, 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00751-0.
https://doi.org/10.1038/s41929-022-00751-0.
