برز تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون الكهركيميائي (CO2RR) إلى مواد كيميائية ذات قيمة مضافة كاستراتيجية واعدة لاستغلال الكربون وتخزين الطاقة المتجددة1,2,3,4,5. ومن بين نواتج اختزال CO2 المختلفة، يُعد حمض الفورميك (HCOOH) جذاباً بشكل خاص نظراً لكثافته الطاقية الحجمية العالية، وسهولة تخزينه ونقله، وتطبيقاته الواسعة في التخليق الكيميائي وخلايا الوقود6,7,8. وقد أظهرت المحفزات القائمة على البزموت (Bi) انتقائية ممتازة تجاه إنتاج الفورمات بسبب ألفة الارتباط المناسبة للوسيط *OCHO7,9 وتثبيط تفاعل تطور الهيدروجين10.
على الرغم من هذه المزايا، لا يزال التنفيذ العملي لـ CO2RR متعذراً بسبب استهلاكه العالي للطاقة عند اقترانه بتفاعل تطور الأكسجين الأنودي (OER)11,12. يُعد تطور الأكسجين (OER) عملية تتطلب أربعة إلكترونات من الناحية الديناميكية الحرارية وتتميز بحركية بطيئة، مما يؤدي إلى جهود خلية عالية وكفاءة طاقة منخفضة للخلية الكاملة13,14. ولمواجهة هذا التحدي، أصبح استبدال تفاعل تطور الأكسجين (OER) بتفاعلات أكسدة عضوية مفضلة ديناميكياً حرارياً استراتيجية فعالة لتقليل مدخلات الكهرباء مع إنتاج مواد كيميائية ذات قيمة مضافة في الوقت ذاته11,15,16.
لقد حظي تفاعل أكسدة الجلسرين (GOR) باهتمام كبير كبديل لتفاعل الأنود لأن الجلسرين رخيص الثمن ويمكن ترقيته إلى منتجات عالية الوظائف17,18. علاوة على ذلك، يظهر تفاعل GOR جهد أكسدة أقل (0.69 V مقابل قطب الهيدروجين العكوس (RHE)) مقارنة بتفاعل تطور الأكسجين OER (>1.23 V مقابل RHE) ويمكنه توليد فورمات ذات قيمة، مما يتيح نظام تخليق كهروكيميائي مزدوج للفورمات مع فورمات مشتقة من تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون CO2RR عند الكاثود18,19,20,21. وقد تم استكشاف الأكاسيد القائمة على معادن غير نبيلة، وخاصة تلك القائمة على Co، بهذا الأسلوب نظراً لقلة تكلفتها ومقاومتها للتآكل وبنيتها المسبينور المنظمة22,23. وأثبتت الدراسات الحديثة جدوى اقتران تفاعل CO₂RR باستخدام محفز Bi/C مع تفاعل GOR باستخدام معادن انتقالية غير نبيلة24,25، ومحفز قائم على Pt26,27 ومحفز قائم على Au28 للإنتاج المشترك للفورمات. وتعتمد هذه الأنظمة بشكل أساسي على إلكتروليت متعادل أو تجميعة قطب غشائية خالية من الإلكتروليت الكاثودي، مما قد يؤدي إلى ترسب (البي)كربونات وتقليل نشاط التفاعل. ويمكن لاستخدام إلكتروليت كاثودي حمضي لتفاعل CO2RR أن يثبط تكوين (البي)كربونات وبالتالي يزيد من كفاءة الكربون، بينما يمكن لاستخدام إلكتروليت أنودي قلوي لتفاعل GOR أن يسهل الأكسدة الكهربائية للجلسرين وتكسير رابطة C–C لإنتاج الفورمات باستخدام محفزات كهربائية من معادن غير نبيلة29,30. علاوة على ذلك، يوفر هذا التكوين غير المتماثل للإلكتروليت طاقة كهربائية إضافية من خلال طاقة التعادل الحمضي-القاعدي لإعادة اتحاد البروتونات والهيدروكسيد11,31. وبناءً على ذلك، فإن هذه الاستراتيجية لا تقلل من الجهد الكلي للخلية فحسب، بل تحسن أيضاً من استهلاك الطاقة في التخليق الكهربائي للفورمات.
يقدم هذا العمل بروتوكولاً لخلية تدفق لإنتاج مشترك وفعال للفورمات عن طريق ربط تفاعل CO2RR الحمضي مع تفاعل GOR القلوي في محلل كهربائي غير متماثل (حمض-قاعدة). تُستخدم صفائح Bi النانوية المشتقة من الأكسيد (OD-Bi NSs) كحفاز للكاثود لتحويل CO2 إلى فورمات بشكل انتقائي، بينما تعمل قضبان Co3O4 النانوية كحفاز للأنود لأكسدة الجلسرول إلى فورمات بمساعدة Cu2+. إن إدخال آثار من Cu2+ في محلول الأنوليت يعزز بشكل كبير من حركية GOR من خلال الدوران بالتفاعل مع المنتجات الوسيطة، والتحول إلى Cu+ ثم إعادة الأكسدة، مما يقلل من الجهد الزائد للأنود. ويظهر هذا النظام المتكامل استهلاكاً أقل بكثير للطاقة وتحسناً في إنتاج الفورمات مقارنة بالتحليل الكهربائي التقليدي لـ CO2RR-OER. ومقارنة بالدراسات السابقة حول ربط CO₂RR-GOR، يدمج النظام المصمم بشكل فريد تصميماً غير متماثل (حمض-قاعدة) يسخر طاقة التعادل بين إعادة اتحاد البروتون والهيدروكسيد لخفض جهد الخلية الإجمالي بشكل أكبر وتجنب تولد (البي)كربونات. وبناءً على ذلك، فإن التقدم الرئيسي في البروتوكول الحالي هو استخدام تكوين غير متماثل (حمض-قاعدة) لخفض جهد تشغيل الخلية مع الحفاظ على إنتاج الفورمات الانتقائي عند كلا القطبين، بدلاً من تحسين حفازات CO₂RR أو GOR بشكل فردي مقارنة بالأنظمة المبلغ عنها سابقاً. هذا البروتوكول قابل للتطبيق في مجموعة واسعة من سياقات البحث، بما في ذلك الاختزال الكهربائي لـ CO2، وأكسدة الجلسرول، وأنظمة التحليل الكهربائي المزدوجة لإنتاج المواد الكيميائية الموفرة للطاقة.