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2026

Nature Chemical Engineering：碱性聚合物层涂覆质子交换膜电解槽助力CO₂与H₂O共电解！

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由碳酸盐形成和迁移导致的盐析出和碳损失，限制了使用碱性或pH中性电解质的CO₂电解的工业可扩展性。

2026年04月16日，中国科学院大连化学物理研究所包信和院士、汪国雄（现已加入复旦大学）、魏鹏飞团队在Nature Chemical Engineering期刊发表题为“Co-electrolysis of CO2 and H2O in an alkaline polymer layer-coated proton-exchange-membrane electrolyzer”的研究论文，中科院大连化物所宋彦鹏、郭昕辉为论文共同第一作者，包信和院士、汪国雄、魏鹏飞为论文共同通讯作者。

该研究构建了一种涂覆碱性聚合物层的质子交换膜电解槽，通过纯水进料来抑制CO₂迁移并防止盐析出。在有限元模拟的指导下，合成了具有高密度季铵基团的碱性聚合物，以富集OH⁻并调控催化剂双电层内的电场，从而增强CO₂吸附和界面离子电导率。因此，该电解槽实现了62.4%的单程CO₂转化率、39.0%的能量效率和约80%的CO₂利用率，并在200mA·cm⁻²下稳定运行260小时。此外，由6个100cm²膜电极组件组成的放大电解槽堆栈在70A电流下产生了*高达2054.5ml·min⁻¹的CO。

电化学CO₂还原反应（CO₂RR）利用可再生电力，将主要温室气体CO₂转化为工业原料（如CO、甲烷和乙烯），已成为一个非常重要的研究领域。目前，为了抑制竞争性析氢反应（HER），大多数已报道的CO₂RR研究在中性或碱性介质中进行。然而，高浓度的金属阳离子（如钾离子和钠离子）可能导致盐析出。此外，阴极的碱性环境促进了CO₃²⁻和HCO₃⁻物种的形成，这些物种可迁移至阳极并导致碳损失。盐析出和有限的CO₂利用率会导致显著的能耗损失并破坏长期稳定性，从而限制了大规模应用的可行性。在强酸性介质中进行CO₂RR，通过将阴极的（双）碳酸盐转化回CO₂，从而防止其迁移到阳极，解决了这些挑战。尽管酸性条件加剧了HER，但引入碱金属阳离子来调控阴极环境已被证明可以增强电场并稳定反应中间体。尽管如此，该方法仍不足以完全防止盐析出。

使用纯水运行膜电极组件（MEA）电解槽是一种克服这些局限性的有前景的策略。先前的研究报道，双功能离聚物可以增强催化剂层内的离子电导率并促进CO₂活化，从而实现CO₂与纯水的共电解。然而，单层阴离子交换膜（AEM）构型仍然存在严重的CO₂迁移问题。为了解决这个问题，研究人员通过引入一个额外的质子交换膜（PEM）层构建了具有正向偏置双极膜（BPMs）的电解槽。这种复合结构通过PEM层内的唐南排斥抑制碳酸根离子迁移，从而抑制CO₂迁移并提高CO₂转化效率，并在阴极催化剂表面建立碱性局部环境。然而，在CO₂RR过程中，双极界面处的CO₂过饱和会诱导局部气体鼓泡和界面分层。这些现象导致电池电压不可逆地升高、HER占主导以及扩散层退化，最终损害电解槽的长期稳定性。

为了解决盐析出和碳损失的基本挑战，同时提高CO₂电还原的性能和稳定性，该研究开发了一种在纯水中运行、包含涂覆碱性聚合物层（APL）的PEM（ACPEM）电解槽。膜内的质子传导被设计用于中和CO₃²⁻和HCO₃²⁻物种，从而减轻碳损失。同时，APL被设计用于抑制不希望的HER。在有限元模拟的指导下，系统优化了板层结构以增加界面CO₂溶解度，防止CO₂析出，从而提高APL/PEM界面的稳定性。此外，研究人员设计并合成了一系列具有不同离子交换容量（IEC）的碱性聚合物作为催化剂层离聚物。当与APL结合使用时，这些离聚物在CO₂RR过程中在Ag催化剂表面附近建立了OH⁻浓度梯度，形成了局部碱性环境。催化界面从酸性环境向碱性环境的转变有效抑制了HER，并增强了催化剂层内的微尺度离子电导率。因此，在气体流速为30ml·min⁻¹、0.4MPa、40°C、电流密度为400mA·cm⁻²、电池电压约为3.09V的条件下，CO法拉第效率（FE）达到了92.1%。在1A·cm⁻²的高电流密度和约3.7V的电池电压下，实现了62.4%的单程转化率和约80%的CO₂利用率，这归因于PEM层对碳酸根离子的唐南排斥效应。该ACPEM电解槽在200mA·cm⁻²下稳定运行了260小时。当在相同压力和温度下流速增加到60ml·min⁻¹时，在500mA·cm⁻²下CO FE接近约100%。在1A·cm⁻²的更高电流密度和4.1V电池电压下，CO FE达到了85.6%。此外，还研究了放大规模；由六个100cm²MEA组成的电解槽堆栈在70A电流下实现了2054.5ml·min⁻¹的*大CO产率。

总之，该研究展示了一种电解质结构，其包含经QAPPT层改性的Nafion膜，该结构解决了CO₂RR中的关键工程挑战，包括盐析出和碳损失。有限元模拟阐明了其潜在机理：通过PEM的质子传导中和了CO₃²⁻或HCO₃⁻物种，从而抑制了碳损失。多孔的QAPPT APL在阴极表面创造了碱性局部环境并促进了有效的气体释放，有效减轻了APL-PEM界面的破坏和分层。此外，研究人员开发了含有季铵基团的碱性离聚物，将其掺入阴极催化剂层，促进了CO₂与纯水的共电解，同时有效防止了盐析出。PBPQ1离聚物建立了强碱性的局部环境，增强了双电层内的局部电场，调控了离子传输并降低了H⁺浓度。因此，ACPEM电解槽在500mA·cm⁻²的电流密度范围内实现了约100%的CO FE，并在1A·cm⁻²下保持了85.6%的CO FE。此外，在具有6个100cm²MEA的电解槽堆栈中展示了该策略的可扩展性。该电解槽堆栈在70A电流下达到了2054.5ml·min⁻¹的*CO生成速率，并在10A电流下维持了100小时的连续CO₂电解。这一进展不仅为纯水操作下CO₂电解中长期存在的工程挑战提供了根本性解决方案，也验证了电解槽放大用于实际应用的可行性。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/gMuRakvvxMUBky9o9WBJEg