▲第一作者： 施润；通讯作者： 张铁锐 <br/>
通讯单位：中国科学院理化技术研究所
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-020-16847-9
<section style="white-space: normal;">对气-固-液三相界面浸润性进行连续调控，证明Cassie-Wenzel共存态最有利于电催化CO2还原反应的进行。通过自主研发的原位电化学荧光光谱表征技术，首次观测到CO2分子在催化界面处的实时浓度变化，实验证明了三相催化体系能够有效稳定CO2分子的界面浓度，进而在大电流密度下能够保持较高的催化选择性。电催化CO2还原技术是解决能源与环境问题，构筑人工碳循环的理想技术途径之一，是催化领域的研究热点。目前对于电催化CO2还原反应的研究种类繁多，其中涉及到各种类型的催化反应体系，如H型体系、气体扩散电极体系等等，但对其中涉及的基本科学问题，即CO2分子的界面扩散传质问题的理解并非十分清楚。本文从CO2分子的界面扩散传质这一基本科学问题出发，系统研究了三相界面浸润性以及催化界面结构对于CO2分子在界面处的质量转移速率及界面分压的影响，进而揭示大电流密度下电催化CO2还原过程的速控反应机制。基于气体扩散电极的三相电催化CO2还原体系，能够大幅促进CO2分子与催化剂的接触，从而在理论上具有更高的催化反应速率。本文将Au/C纳米颗粒负载到由碳纤维构成的气体扩散层（GDL）表面，构筑了一种典型的三相电催化反应体系。通过对Au/C催化剂层进行改姓处理，实现了三相界面浸润性的连续调控，由超疏水的Cassie态（左）逐步调变为超亲水的Wenzel态（右）。通过一系列电催化性能测试，证明了一般疏水的Cassie-Wenzel共存态催化活性最高，推测是由于该状态下最有利于催化剂与CO2分子及电解液的接触。为了探究CO2分子在催化反应界面处的扩散传质过程，本文基于对CO2分子具有特异性荧光响应的探针分子（HPTS），在国际上首创了原位电化学荧光光谱表征技术。通过该技术，可以在电催化反应过程中实时地检测CO2分子的界面浓度。▲图4 CO2界面浓度（[CO2]i）与电流密度、恢复时间的关系
本文设计了三种电催化体系，分别是敞开的三相体系（Exposed TPC）、液下三相体系（Immersed TPC）以及H型两相体系（DPC），对比了它们在电催化过程中的CO2界面浓度变化规律。结果发现，敞开的三相体系在电流密度达到100 mA cm-2时，依然保持了80%的CO2界面浓度，而电解停止后的CO2界面浓度恢复速率也远高于其它两种体系。经过计算，三相体系的CO2界面质量转移系数是两相体系的13倍，电解时的CO2界面浓度是两相的35倍。由此可以推断，经过浸润性优化后的三相催化体系能够有效稳定CO2分子的界面浓度，是保证其在大电流密度下具有较高催化选择性的关键因素。本文基于典型的气-固-液三相电催化反应体系，证明了Cassie-Wenzel共存态是最有利于电催化CO2还原反应进行的浸润状态，并结合自主研发的原位电化学荧光光谱表征技术，观测到了CO2分子在催化界面处的实时浓度变化，在实验上首次证明了三相催化体系能够有效稳定CO2分子的界面浓度。通过对CO2分子的界面扩散传质过程进行定量分析，揭示了三相体系在大电流密度下能够保持较高催化选择性的关键因素。张铁锐，中国科学院理化技术研究所研究员、博士生导师，中国科学院光化学转化与功能材料重点实验室主任。吉林大学化学学士（1994-1998），吉林大学有机化学博士（1998-2003）。之后，在德国（2003-2004）、加拿大（2004-2005）和美国（200{attr}4698{/attr}2009）进行博士后研究。2009年底回国受聘于中国科学院理化技术研究所。主要从事能量转换纳米催化材料方面的研究，在Adv. Mater.、Angew. Chem.、JACS等期刊上发表SCI论文200余篇，被引用15000多次，H指数64，并入选2018、2019科睿唯安“全球高被引科学家”；申请国家发明专利42项（已授权27项），在国际会议上做特邀报告40余次。曾获皇家学会高级牛顿学者、德国“洪堡”学者基金、国家基金委“杰青”、国家“万人计划”科技创新领军人才等资助、以及太阳能光化学与光催化领域优秀青年奖等奖项。2017年当选英国皇家化学会会士。兼任Science Bulletin副主编以及Advanced Energy Materials、Scientific Reports、Materials Chemistry Frontiers、ChemPhysChem、Solar RRL、Carbon Energy、Innovation等期刊编委。现任中国材料研究学会青年工作委员会-常委，中国感光学会光催化专业委员会-副主任委员，中国化学会青年工作者委员会-委员等学术职务。
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