低温电催化CO2还原反应(CO2RR)是可持续生产燃料和增值化学品最有前途的方法之一。然而，CO2RR系统中阳极的析氧反应(OER)动力学缓慢，且O2的产生往往会导致碳的损失，进一步降低能源效率: 在阴极形成的碳酸盐或碳酸氢盐可以通过水电解质或阴离子交换膜(AEM)迁移到局部pH值较低的阳极，最终导致CO2和O2一起释放。最近的研究表明，热力学和/或动力学上更有利的有机物电氧化是合适的OER替代品，其能够降低能量投入和过电位损失，同时共同生产增值产品。
基于此，武汉大学晏宁课题组设计出了一个CO2RR直接耦合氢氧化反应(HOR)的电池，并以CO2-CO和CO2-甲酸盐作为模型反应来展示其有效性。该电池含有Ni(OH)2/NiOOH中间层，夹在CO2RR气体扩散电极(GDE)和HOR GDE之间，以分离CO2RR和HOR，同时消除缓慢的氧催化作用。在反应过程中，CO2RR GDE上发生CO2转化为CO和甲酸盐过程，同时将Ni(OH)2氧化为NiOOH。与OER半反应相比，Ni(OH)2的氧化是一个单电子转移过程，所需过电位小得多。随后，NiOOH和HOR GDE共同作用发生2NiOOH+H2→2Ni(OH)2反应，部分补偿CO2RR过程中消耗的能量。实验结果显示，该电池在低于0.9 V (50 mA cm-2)的电压下以高选择性(高达95.3%)和稳定性(> 100小时)产生气体(CO)或可溶性(甲酸盐)产物方面具有高度灵活性，同时使用Ni(OH)2/NiOOH解耦电极反应可有效减轻HOR催化剂中毒，同时抑制阳极碳损失。重要的是，将该反应体系与AEM或SOEC耦合，总极化损失和能耗可降低42%。总的来说，这项工作展示了将CO2电解与氢经济相结合的可行性，为后续开发各种新兴能量转换和储存方法以提高能源/成本效益提供了范例。Integrating hydrogen utilization in CO2 electrolysis with reduced energy loss. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-45787-x
