近年來,電化學二氧化碳還原反應(CO₂RR)作為將二氧化碳轉化為高附加值化學品和燃料的綠色技術而備受關注。但是,CO₂RR的效率和選擇性受到傳質的影響。在電極表面,二氧化碳的傳質能力決定反應物的供應效率,進而影響反應性能。因此,探討并量化質量傳遞對CO₂RR的影響,對于優化反應條件和提高反應效率至關重要。

受限于常規表征方法的分辨率,此前的研究對CO₂RR反應中傳質的影響缺少量化評價數據。中國科學院上海高等研究院研究員宋飛團隊結合工況擴展X射線吸收精細結構以及高能分辨率熒光檢測X射線吸收光譜等譜學表征方法,實時監測模型催化劑在CO₂RR過程中不同傳質環境下催化劑表面的動態變化。研究發現,不同傳質環境影響模型催化劑酞菁銅在CO₂RR反應中Cu-N₄的分離和Cu原子的團聚,從而決定不同的反應性能和選擇性。研究結合同步輻射紅外光譜和DFT理論計算,從反應動力學角度推演了催化劑的結構演化。研究還比較了CO₂RR反應中所用器件的調控機制,可為后續反應器件的開發提供指導原則。

該研究通過模型反應體系證明,工況條件下高分辨熒光吸收譜表征具有優異的能量分辨率,是識別模型催化劑活性位點動態結構變化的有力工具。同時,工況條件下高分辨熒光吸收譜表征的量化分析為電化學CO₂RR機理研究提供了新視角,有助于探討其他相關體系的反應。

高分辨熒光吸收譜表征方法是上海光源E-line發展的高分辨譜學技術,能夠在原子和分子水平上揭示催化劑的結構和化學態變化,從而為原位反應中質量傳遞的影響提供定量分析。

相關研究成果以Quantitatively Unveiling the Effect of Mass Transfer on CO₂RR through Operando EXAFS and HERFD-XAFS為題,發表在《中國科學:化學》(SCIENCE?CHINA Chemistry)上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金等的支持。

二氧化碳電還原反應機理研究獲進展