【摘要】 通过operando拉曼光谱技术揭示固定化酞菁钴催化剂在CO2RR过程中的聚集行为，解析高电流密度下活性位点分布规律，实现340mA/cm²的CO生成效率。

流动反应器突破CO2RR传质限制

流动反应器通过强化反应物传输，有效解决了传统H型电池的质量传输瓶颈（图1a）。这种设计使电解槽能在商业级电流密度​（J>100mA/cm²）下稳定运行。值得注意的是，​高电流密度环境下电极表面的碱度与CO₂浓度特性，与低电流密度（J<10mA/cm²）的H型电池存在显著差异。

图1 在流动电池条件下分子电催化剂的 Operando 拉曼光谱学测量。(a)在 H 细胞中进行的操纵波谱学研究的摘要。(b)定制的拉曼光谱学电化学流动电池，能够用固定的分子电催化剂对 CO2rR 活性物质进行 operando 检测。

 

分子催化剂聚集效应的operando解析

在流动反应器中，​固定化分子催化剂​（如酞菁钴CoPc）通过气体扩散电极（GDE）实现高效CO₂转化。然而，催化剂在GDE表面的聚集行为会显著改变反应路径：

1.​聚集导致电子隔离​：低电导率的催化剂聚集体使部分活性位点（Coⁱ）与非活性位点（Coᴵᴵ）共存

2.活性位点分布失衡​：聚集区域电子传递受阻，降低有效催化位点密度

3.operando光谱验证​：通过定制拉曼流动池（图1b）实时观测到，​电子密度提升直接增强CO生成速率

关键发现：钴中心电子密度与CO产率呈正相关，通过引入乙氧基修饰（EtO₈-CoPc）的电子给体基团：

  • 获得340mA/cm²的CO分电流密度​（当前最高纪录之一）
  • 实现**>24小时@150mA/cm²**的工业级稳定性

 

创新研究方法与技术价值

本研究通过operando拉曼光谱技术首次实现：

  • 高电流密度下分子催化剂化学态动态追踪​
  • 聚集效应与活性位点分布的定量关联分析​
  • 为设计抗聚集催化剂（如EtO₈-CoPc）提供直接实验证据

相关成果发表于《JACS》（DOI:10.1021/jacs.2c08380），为流动反应器中分子催化剂的精准设计建立新范式。

 

科学指南针已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证，并荣获国家高新技术企业、国家“互联网+科研服务领军企业等多项荣誉。未来，科学指南针将继续朝着“世界级科研服务机构”的目标，在产品研发和用户服务等方面持续努力，为科学发展和技术创新做出更大贡献。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。