在“双碳”目标驱动下，将 CO₂ 通过电解转化为 CO、乙烯等高价值化学品，被认为是构建可持续化工体系的重要路径。然而，现有工业化主流的 **零间隙膜电极（MEA）**技术在使用纯水（不含碱液）时，会面临电导不足、盐析堵塞、界面碳损失等顽疾，使高电流密度 CO₂ 电解难以稳定运行。浙大徐浩南、方彦杰、郭兴中及单冰团队提出一种阳离子效应调控的双层膜电催化界面（Double-Layer Membrane, DLM），通过构建高离子交换容量界面，实现了在纯水条件下高效、稳定、可规模化的 CO₂ 电解。

一、研究背景

 

传统 MEA 的三大痛点

1. OH⁻传输慢 → CO₂ 失活成碳酸盐（CO₃²⁻）
2. 界面pH剧烈波动 → 催化选择性下降
3. 碱液体系易盐析 → 堵塞气道与膜界面

尤其是在工业要求的 >200 mA·cm⁻² 高电流密度下，这些问题会被无限放大，使纯水电解路线长期无法突破。该工作通过阳离子聚合物工程，证明了：
不添加碱液，仅用纯水，也能实现稳定高效 CO₂ 电解。这是迈向真正工业化 CO₂ 电解系统的关键一步。

 

二、研究方法

研究团队设计了一个阳离子富集的双层膜（DLM）结构：

🔹 底层：QAPPT（结构层）

• 强机械强度
• 保证膜在长时间电解中的形变可控

🔹 上层：QAPPB（阳离子富集层）

• 超高离子交换容量（IEC = 3.5 mmol·g⁻¹）
• 快速传输 OH⁻
• 构建强阳离子界面 → 稳定 CO₂RR 中关键中间体

⚙️ 催化体系

• 阴极：Ag 纳米线（CO₂→ CO 的高选择性催化剂）
• 阳极：NiFe LDH（水氧化）
• 中间：DLM 膜
• 电解质：纯水（无 KOH）

 

三、主要结果

✅ 1. 纯水体系下性能大幅提升

DLM 在纯水中表现优异：

相比传统单层膜（SLM）在同条件下几乎完全失效，这是突破性的性能提升。

✅ 2. DLM 的高 OH⁻ 传输能力彻底解决碳损失问题

• 单层膜中：CO₂+ OH⁻ → CO₃²⁻，大量 CO₂ 流失
• DLM：快速输运OH⁻，抑制CO₃²⁻生成

📌 Raman 原位光谱证明：

• SLM 出现明显1076 cm⁻¹的碳酸根信号
• DLM 完全无碳酸根峰→ 关键证据

✅ 3. 低 CO₂ 流量下仍保持高碳效率

在仅 5 sccm CO₂ 输入下

• 500 mA·cm⁻²，FE(CO) = 87%
• 单程转化率 SPCE 高达 8%

超过传统体系的理论上限。

✅ 4. 稳定运行 100 小时无衰减

• 100 h 中 FE(CO) 稳定在 93–95%
• 膜未降解
• 催化剂形貌/化学状态保持完好

这是纯水体系实现长期稳定运行的关键里程碑。

✅ 5. 可工业化放大到 100 cm²

在 100 cm² 的大型 MEA 中：

• 50 A 电流下 FE(CO) = 90–93%
• CO 产率高达 344 mL·min⁻¹
• 电池电压 < 4.4 V

👉 表明该体系不仅在实验室可行，而且具备工业应用潜力。

四、 机理分析

 

DLM 的优势来源于“双界面”协同效应：

1️⃣ 高 IEC QAPPB 层 → 超快 OH⁻ 迁移

• 避免界面 pH 极速升高
• 避免 CO₂被瞬间转化为 CO₃²⁻

2️⃣ 表面高密度阳离子 → CO₂RR 中间体更稳定

类似碱金属阳离子的“cation effect”，
能够稳定 *CO₂⁻ 和 *CO 中间体，提高反应动力学效率。

3️⃣ 减少催化层中 QAPPB 过度渗透

研究明确指出：

• 过量 QAPPB 会堵塞 Ag NW 活性位点
• 优化的 2 mg·cm⁻²是性能最佳区间

 

五、总结

 

本研究提出的 “阳离子工程双层膜（DLM）” 通过精确调控膜的离子传输特性，实现了：

 

✨ 纯水体系下 500 mA·cm⁻² → FE(CO) 93%
✨ 稳定连续运行 100 小时无衰减
✨ 100 cm² 样机规模化成功
✨ 大幅降低碳损失，提高 CO₂ 利用率

这是 CO₂ 电解技术向工业落地迈出的关键一步。

 

编审：小J

文章来源：doi.org/10.1002/anie.202516321