碳酸盐的形成是低温二氧化碳电解过程中能量和碳损失的主要来源。如果要使这项技术成为可再生化学品和燃料生产的可行选择，那么解决碳酸盐问题至关重要。

有鉴于此，斯坦福大学Matthew W. Kanan等人认为，尽管目前的研究重点是二氧化碳还原催化剂设计，提高性能的最大障碍是一种经常被忽视的基本化学问题：CO₂与氢氧化物（OH^–）的快速热力学上有利的反应以形成碳酸盐（CO₃^2–），导致巨大的电压和二氧化碳的损失。

本文要点

1）成本的直线下降和可再生电力的每日削减，促使人们对利用CO₂电解生产化学品和燃料越来越感兴趣。高温固态氧化物电池可以将二氧化碳转化为CO和O₂，目前已经实现了初步的商业化。低温CO₂电解是一种很有吸引力的选择，它提供了更方便和灵活的操作，并能够生成多碳产物，如乙烯、乙醇和丙醇。在过去的十年中，该领域的研究得到了极大的扩展，在基本理解和原型设备方面取得了实质性进展。利用燃料电池和膜式水电解槽的研究成果，研究人员开发了气体扩散电极(GDE)电池，该电池证明了与合成相关的CO₂电解电流密度（> 100 mA cm^-2）并具有良好的稳定性。尽管取得了这些进步，但低温CO₂电解的能源效率(电力到产品)和碳效率(二氧化碳到产品)仍然太低，无法支持大规模的应用。

2）如果没有在能源和碳效率上取得重大进展，低温CO₂电解将无法与其他电能存储或CO₂转化技术竞争。降低CO₂还原催化的过电位仍然是重要的目标，只要可以在稳态条件下以高电流密度实现即可。要避免由CO₃²-形成而造成的损失，需要进行更广泛的研究工作，包括控制CO₃²-形成和清除的策略。关于CO₃²-问题的进展将决定未来10年内CO₂电解的轨迹及其对实验室以外的影响。稳定状态下的性能证明了CO₃²-问题的后果。

3）对于CO的生产，报告的最佳性能是实验室规模（5 cm²）的设备，在200 mA cm^-2的CO₂-CO电流密度下，在稳定状态下运行>4000小时，很好地证明了以合理的速率实现持久的CO电合成的可行性。然而，碳效率为50%，电池电压为3.0 V，对应的能源效率仅为43%。为了制造出更低的产物，如乙烯，CO₃²-的问题更加明显。在稳定状态下，在约500 mA cm^-2的CO₂-乙烯电流密度、约2%的碳效率和3.9 V电压下运行60小时，能效约为15%。在CO₂电解研究中，在稳态条件下评估全电池指标仍然不常见，但这样的实验对于评估进展是必要的，并且应该成为证明材料或设计进步的影响的标准。

参考文献：

Rabinowitz, J.A., Kanan, M.W. The future of low-temperature carbon dioxide electrolysis depends on solving one basic problem. Nat Commun 11, 5231 (2020).

DOI： 10.1038/s41467-020-19135-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-19135-8