成對電解（Paired electrolysis）能夠將CO2電催化還原等制備化學品的陰極電催化反應與陽極選擇性氧化反應進行結合，從而最大化的利用能源和提高原子利用效率。但是直接電催化氧化反應生成單一產物通常法拉第效率非常有限。有鑒于此，多倫多大學Edward H. Sargent院士等報道酸性CO2電催化還原制備CO與烯醇電催化氧化反應結合，實現了電催化制備丙烯醛（acrolein）和CO。這種電催化CO2RR-醇氧化反應體系CO2還原為CO的法拉第效率達到96±1 %，烯醇氧化為丙烯醛的法拉第效率達到85±1 %。由于電催化還原CO2與陽極有機氧化反應匹配，與目前效率最好的酸性電催化還原CO2制備CO達到100 mA cm-2電流密度的體系相比，整個體系的電壓能夠降低0.7 V。酸性陽極電催化能夠免于生成碳酸鹽，因此單程CO2的利用效率達到84 %，原子的利用率提高6倍。當生成相同數量的CO時，該體系的能耗比目前高效率CO2還原為CO體系降低1.6倍。這項工作發展的成對電解體系通過脫碳技術能夠助力可持續發展。考慮Ag作為性能優異的電催化還原CO2材料，作者在碳基氣體擴散電極上濺射修飾一層Ag，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、XRD、XPS等表征技術，說明Ag催化劑是金屬態的晶體。通過旋涂方式將5 nm碳載Pt納米粒子修飾到Ti金屬纖維氈。通過流動相電解槽和兩電極體系進行電解實驗，電解液為3 M KCl和H2SO4。當pH為1-3，Ag/GDL電極（Ag的厚度500 nm）在100-200 mA cm-2電流密度區間內的CO法拉第效率達到90 %，H2的法拉第效率<3 %。在pH 1時進行電解，Ag/GDL電極（Ag的厚度300 nm）能夠在3.5 V實現100 mA cm-2電流密度。作者設計陽極有機氧化反應與陰極CO2RR結合。發現通過甘油脫氧加氫反應能夠得到烯丙醇，而且烯丙醇氧化生成的烯丙醛是制備丙烯酸的原料。因此作者將CO2RR與烯丙醇氧化匹配進行電解。分別嘗試Pt，Pd，Ru，Au幾種碳載貴金屬催化劑的性能。首先通過旋涂方法將貴金屬催化劑修飾到碳載體上。在幾種貴金屬催化劑中，Pt對烯丙醇的氧化性質最好，2 mg cm-2 Pt催化劑在烯丙醇轉化率為15 %和100 mA cm-2電流密度的烯丙醛法拉第效率達到85±1 %。優化反應條件后，使用0.5 M 烯丙醇和0.05 M KOH作為陽極電解液。當電流密度為100 mA cm-2，CO2RR的CO法拉第效率達到96±1%，烯丙醛的法拉第效率達到85±1 %。為了降低氣體產物分離所需的能量，首先增加CO2的單程利用率。改變CO2的輸入量優化CO2的單程利用效率，優化的條件100 mA cm-2電流密度的CO2單程利用達到84 %。這個效率達到酸性CO2還原為CO所能達到最高CO2利用效率的6倍。而且，當CO2的輸入達到0.36 ml min-1，CO2RR的C1產物法拉第效率仍達到83 %，同時烯丙醇轉化為烯丙醛的法拉第效率達到85 %。通過系統的優化，同時得到較好的CO法拉效率和CO2利用效率。基于制備1 kg CO利用的總能量考察電催化體系的能量效率。在考慮了生成CO、氣體分離、碳酸鹽重生過程，考慮了陽極的液體產物分離情況，該體系消耗的能量為44 MJ kg-1CO，這比目前能效最好的酸性CO2RR體系的能量消耗降低1.6倍。在100 mA cm-2電流密度運行10 h，在10 h運行過程中CO2RR-AOR體系表現穩定的CO選擇性（90 %），同時烯丙醛的選擇性>82 %。在10 h運行過程中，電解槽的整體電壓保持3.2 V，這個電壓比CO2RR-OER體系低0.8 V。這項工作發展了陽極-陰極的匹配電解能夠高效率的進行化學品制備，為配對電解的研究提供更多機會。此外，如何在陰極和陽極實現同一電解液可能是發展的方向，研究如何降低pH值變化以及金屬陽離子對電解反應的影響。作者認為，研究陰極和陽極過電勢對反應機理的貢獻作用，有助于減少實際電解所需的電壓。制備高濃度液體產物是對于合成液相產物非常重要，比如液相產物的分離，如何持續實現對特定產物實現較高的選擇性。Wang, X., Li, P., Tam, J.et al. Efficient CO and acrolein co-production via paired electrolysis. Nat Sustain (2024).DOI: 10.1038/s41893-024-01363-1https://www.nature.com/articles/s41893-024-01363-1
