全球工业的高速发展以及人类活动导致温室气体排放量大幅增加，二氧化碳是温室气体的主要代表成分。将CO2转化为碳氢化合物燃料吸引了全球科学家们的广泛关注。其中，电化学催化还原二氧化碳由于可在常温常压下进行，并且能够实现人为的闭合碳循环，已然成为当下研究热点和重点。近年来，碱性流动电池以其优异的性能得到了广泛的应用。然而，由于CO2与碱性电解质会发生反应生成碳酸盐，从而导致能量损失、电解产物产率下降等问题，因此这种做法的可持续性受到了质疑。
有鉴于此，加州大学伯克利分校的杨培东院士等人，通过在催化剂表面创造有利于CO2RR的微环境，而不依赖于碱性电解质，可能是解决这一问题的有效方法。
本文要点
1）目前，常用的三种典型的电化学电池结构是H型电解槽、带有气体扩散电极(GDE)的流动电池与膜电极组件(MEA)。在这三种构型中，电解质的选择在很大程度上决定了催化剂周围的电化学环境，目前，很多研究通过在GDE环境中使用高碱性(例如1 M KOH)电解质来提高催化活性。然而，在实际操作条件下高碱性电解质中的OH-离子会与CO2反应，导致碳酸盐/重碳酸盐的形成和电解液的不可逆酸化，从而增加整个电池的电阻，阻塞气体扩散通道，使得电极发生“水淹”现象，严重影响电解槽的工作性能。
2）通过催化剂设计，为CO2转化创造局部碱性环境，而不依赖于碱性溶液如KOH，为解决“碱度问题”带来了新的思路。最近，CO2RR催化剂开发呈现出两个趋势，即表面纳米结构设计与分子表面修饰，为在KHCO3电解质中、在CO2RR催化剂上产生局部有利于CO2RR的微环境提供了思路。催化剂的表面纳米结构设计已经被证明是一种通过精确调节表面pH值和CO2浓度来影响催化选择性的有效方法。通过添加其他分子，使其与催化剂表面发生相互作用是调节局部微环境的另一种策略。此外，还可以利用分子修饰来改变金属表面的界面微环境。这一想法的灵感源于细菌中酶的特异选择性，在CO2RR过程中酶对特定产物表现出超高的选择性。
参考文献：
Chubai Chen et al. Address the “alkalinity problem” in CO2 electrolysis with catalyst design and translation. Joule, 2021.
DOI: 10.1016/j.joule.2021.02.008
https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.02.008
