研究背景
现代社会发展过程中化石能源(石油、煤炭、天然气等)的消耗量不断增长，且伴随着大量二氧化碳的排放，造成了严重的大气环境问题。因此，二氧化碳的资源化应用受到了越来越多的关注，其旨在减轻环境污染并同时获得能源。其中，电化学还原二氧化碳技术可以在常温常压下将CO2转化为CO、H2、烃类、羧酸和醇等具有高附加值的化学品储存，反应速度和产物选择性可调控，具有极大地优势。尤其当采用弃风、弃光发电作为电化学还原二氧化碳的电源时，该技术具有明显经济优势。
目前，电化学还原 CO2的相关研究大部分集中在新型高效阴极催化剂的研发，以达到以下目的：①增强催化活性加快反应速率；②提高产物的选择性；③降低反应过电位；④提升催化剂稳定性。三电极H型电解池作为一种广泛采用的优选阴极催化剂的实验装置，具有操作简便，装置易得等优点。然而H型电解池电流密度通常限制在20 mA/cm2左右，远达不到商业可行水平(250 mA/cm2)。此外，H型电解池体积大且槽压高，不利于放大规模化应用。与之相比，连续式流动反应池中气体扩散电极的应用极大地缩短了气体扩散距离，电流密度可达500 mA/cm2。且流动池具有结构紧凑的优点，尤其是可堆叠的膜电集(MEA)结构电解器，更适用于 CO2催化的工业应用。
重点内容导读
二氧化碳电化学还原电解器可以分为微流体结构，聚合物电解质膜多腔室结构和固体氧化物电解器结构 3 种。其中膜电集结构(MEA)具有几种不同的进料方法：①CO2饱和阴极电解液和阳极电解液；②加湿的二氧化碳和阳极电解液；③加湿的 CO2和加湿的阳极气体；④干燥二氧化碳和加湿阳极气体或纯水；⑤加湿二氧化碳，阳极敞开不通任何气体或电解液。
在连续式二氧化碳电解器中应用最为广泛的催化剂有Sn、Ag和Cu，除了催化剂本身性质影响外，催化剂浆料的制备及催化剂涂覆方法，都可能对电解器性能造成重大影响。电极制备方面，基底碳纸的亲疏水性/厚度，微孔层厚度及疏水性物质聚四氟乙烯（PTFE）的含量，都会影响电解器性能。根据目标产物的不同，适用的离子交换膜种类也不同，碱性阴离子交换膜在产CO时具有更高的电流密度和电流效率。除了电化学还原过程所需的热力学要求外，实际电解器的性能还会受到阴极和阳极的催化剂活化能，传质以及电解池本身 IR 降的影响。为了对不同研究中测试的阴极催化剂性能进行比较，连续式电解池中参比电极的引入是十分必要的。
电解器在运行中可能会因各种问题失效，包括催化剂颗粒团聚，催化剂中毒，粘结剂失效导致的催化剂脱落，气体扩散层腐蚀，气体扩散电极疏水性丧失（水淹），碳酸盐沉积堵塞气体扩散电极孔道，电解器组件氧化失效等。
图1 四种典型的二氧化碳还原电化学流动池结构示意图
结论
本文对除了阴极催化剂之外，二氧化碳电解器其他相关可以优化改进的部分进行了分析，认为未来可以从以下这些方面进行研究：①催化剂层制备工艺选择，浆料配比，黏结剂的选择和添加量，催化剂层是否需要嵌入离聚物，离聚物种类和含量等；②气体扩散电极的结构和组成，包括碳纤维基底的选择（疏水性，厚度，孔隙率等)微孔层中碳和PTFE负载量，是否需要加PTFE多孔膜层来提升疏水性等；③聚合物电解质膜的开发；④进料方式选择，气体是否需要加湿，加湿程度多少，以及流速优化；⑤大电流下长时间的稳定测试，电解器失效机理分析及修复，催化剂再生利用。
引用本文：古月圆,韦聚才,李金东等.电化学还原二氧化碳电解器相关研究概述及展望[J].储能科学与技术,2020,09(06):1691-1701.
GU Yueyuan, WEI Jucai, LI Jindong, et al. Overview and prospect of studies on electrochemical reduction of carbon dioxide electrolyzers[J]. Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1691-1701.
