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對氣-固-液三相界面浸潤性進行連續調控，證明Cassie-Wenzel共存態最有利于電催化CO2還原反應的進行。通過自主研發的原位電化學熒光光譜表征技術，首次觀測到CO2分子在催化界面處的實時濃度變化，實驗證明了三相催化體系能夠有效穩定CO2分子的界面濃度，進而在大電流密度下能夠保持較高的催化選擇性。

背景介紹

電催化CO2還原技術是解決能源與環境問題，構筑人工碳循環的理想技術途徑之一，是催化領域的研究熱點。目前對于電催化CO2還原反應的研究種類繁多，其中涉及到各種類型的催化反應體系，如H型體系、氣體擴散電極體系等等，但對其中涉及的基本科學問題，即CO2分子的界面擴散傳質問題的理解并非十分清楚。

研究出發點

本文從CO2分子的界面擴散傳質這一基本科學問題出發，系統研究了三相界面浸潤性以及催化界面結構對于CO2分子在界面處的質量轉移速率及界面分壓的影響，進而揭示大電流密度下電催化CO2還原過程的速控反應機制。

圖文解析

基于氣體擴散電極的三相電催化CO2還原體系，能夠大幅促進CO2分子與催化劑的接觸，從而在理論上具有更高的催化反應速率。本文將Au/C納米顆粒負載到由碳纖維構成的氣體擴散層（GDL）表面，構筑了一種典型的三相電催化反應體系。

通過對Au/C催化劑層進行改姓處理，實現了三相界面浸潤性的連續調控，由超疏水的Cassie態（左）逐步調變為超親水的Wenzel態（右）。通過一系列電催化性能測試，證明了一般疏水的Cassie-Wenzel共存態催化活性最高，推測是由于該狀態下最有利于催化劑與CO2分子及電解液的接觸。

為了探究CO2分子在催化反應界面處的擴散傳質過程，本文基于對CO2分子具有特異性熒光響應的探針分子（HPTS），在國際上首創了原位電化學熒光光譜表征技術。通過該技術，可以在電催化反應過程中實時地檢測CO2分子的界面濃度。

本文設計了三種電催化體系，分別是敞開的三相體系（Exposed TPC）、液下三相體系（Immersed TPC）以及H型兩相體系（DPC），對比了它們在電催化過程中的CO2界面濃度變化規律。結果發現，敞開的三相體系在電流密度達到100 mA cm-2時，依然保持了80%的CO2界面濃度，而電解停止后的CO2界面濃度恢復速率也遠高于其它兩種體系。經過計算，三相體系的CO2界面質量轉移系數是兩相體系的13倍，電解時的CO2界面濃度是兩相的35倍。由此可以推斷，經過浸潤性優化后的三相催化體系能夠有效穩定CO2分子的界面濃度，是保證其在大電流密度下具有較高催化選擇性的關鍵因素。

總結與展望

本文基于典型的氣-固-液三相電催化反應體系，證明了Cassie-Wenzel共存態是最有利于電催化CO2還原反應進行的浸潤狀態，并結合自主研發的原位電化學熒光光譜表征技術，觀測到了CO2分子在催化界面處的實時濃度變化，在實驗上首次證明了三相催化體系能夠有效穩定CO2分子的界面濃度。通過對CO2分子的界面擴散傳質過程進行定量分析，揭示了三相體系在大電流密度下能夠保持較高催化選擇性的關鍵因素。

——本文轉載自研之成理。