Nature子刊 | 千瓦级无碱阳离子CO₂电解技术！

电催化CO2还原（ECO2R）通过将CO2转化为碳中性燃料与化学品，为工业脱碳提供了可持续路径。

尽管催化剂设计已取得进展，但缓慢的传质动力学仍制约着工业化规模应用。

2026年2月12日，香港理工大学刘树平、任竞争、江苏大学许晖在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer》的研究论文，Xiaojie She、Zhihang Xu、Qiang Ma、Qiming Qian为论文共同第一作者，刘树平、任竞争、许晖为论文共同通讯作者。

在本文中，作者提出了一种高扩散通量气体扩散电极（HDF-GDE），在无碱阳离子体系中突破该瓶颈，实现了工业电流密度下的CO2转化率。

动力学分析表明，转化效率受传质效率主导而非流速。通过优化GDE结构以最大化CO2扩散效率与电极利用率，本文构建了千瓦级ECO2R系统，其稳定性超过1000小时，并可根据催化剂选择产出CO或C2H4。

在3 L/min CO2流速下，该系统经1000 h运行可产出144 kg CO（1.29 kW）或17 kg C2H4（1.95 kW）。

配备HDF-GDE的无碱阳离子ECO2R体系，在规模化CO/C2H4电合成中展现出经济可行性。

本研究弥合了实验室创新与实际应用之间的鸿沟，推动碳中性化学品制造技术发展。

电催化二氧化碳还原（ECO2R）技术作为连接化石能源与可持续能源的关键技术环节，被认为是工业层面快速削减二氧化碳排放的最有前景的方案之一。为了提升其实际可行性，ECO2R技术已从H型电解池发展到采用气体扩散电极（GDE）的流动池和膜电极组件（MEA）电池（图1）。然而，这些体系的稳定性仍然存在问题（例如碳酸盐生成和交叉）。最近，通过使用无碱金属阳离子（纯水进料）的MEA体系，MEA系统的稳定性已提高近一个数量级（ECO2R制乙烯的稳定性超过1000小时）。但其电流密度较低（制乙烯时仅约120 mA/cm2），导致产物收率有限（ECO2R制乙烯的CO2转化率仅约1%），这严重阻碍了ECO2R技术的工业化进程。

采用GDE的ECO2R MEA电池源自燃料电池领域（图1a-1c及补充图2）。然而，ECO2R系统比燃料电池更为复杂（见补充说明1）。以碳纸GDE（CP-GDE）为例，在ECO2R阴极，析氢反应（HER）产生的H2、多种产物以及未反应的CO2使得系统内的传质过程十分复杂（图1b）。这导致了高ECO2R产物选择性（法拉第效率：FE）与高CO2转化率之间存在不可调和的矛盾（详见补充说明1，以及补充图3和表7）。即，降低反应物CO2的入口流速虽可提高CO2转化率，但这会显著减缓CP-GDE中的CO2传质动力学并降低产物选择性。

为同时实现高CO2转化率和高产物选择性，本文提出了一种高扩散通量气体扩散电极（HDF-GDE），该电极仅由催化剂构成（图1d）。HDF-GDE可使CO2无需穿过惰性的CP-GDE基底而直接扩散进入催化剂层（图1e）。这不仅能显著增加物质进出HDF-GDE的整体通量，还能极大地提高GDE的空间利用率。从化学动力学角度看，HDF-GDE可加速系统的传质动力学，增加催化剂表面的CO2和关键反应中间体（如CO）的覆盖度，并降低来自水传递的H覆盖度。由于ECO2R活性对CO2/*CO覆盖度具有一阶或二阶依赖关系，这有望提升ECO2R活性。

在本研究中目标是通过加速传质动力学，在高稳定性的无碱金属阳离子ECO2R体系中实现高工作电流密度（即高CO2转化率），同时保持高产物选择性。此处的无碱金属阳离子条件指水中来源的痕量钠离子。为此，作者开发了一种HDF-GDE，其在催化剂中间层包含一个不锈钢网骨架。我们选用高性能的阶梯表面银（SS-Ag）催化剂作为模型催化剂来研究该体系的传质动力学，因其具有单一产物选择性（即CO）。结果表明，通过提高传质效率，无碱金属阳离子ECO2R制CO体系的电流密度从150 mA/cm²提升至400 mA/cm2，同时保持了高产物法拉第效率（~93%）。为进一步提高CO₂转化率并推动ECO2R技术的工业化，本文设计并定制了一个千瓦级的无碱金属阳离子MEA电堆，该电堆装配了HDF-GDE，用以评估整个系统的稳定性。

在~1.29 kW（60 A）的功率和3 L/min的CO2入口流速下，CO2转化率突破81%，CO法拉第效率达~90%。此外，HDF-GDE策略也成功应用于ECO2R制乙烯。在~1.95 kW（75 A）的功率和3 L/min的CO2入口流速下，ECO2R制乙烯的CO2转化率提高了约15倍。这两个系统的稳定性均超过1000小时，分别产出了~144 kg CO和~17 kg C2H4。对传质动力学的实时分析有望革新ECO2R系统的设计，并加速其工业部署。

综上，作者针对电催化二氧化碳还原（ECO2R）技术在工业化进程中因传质动力学缓慢而导致的高产物选择性与高CO2转化率难以兼得的核心瓶颈，提出了一种创新的高扩散通量气体扩散电极（HDF-GDE）策略。

传统碳纸GDE（CP-GDE）中惰性基底阻碍了反应物和产物的高效传输，而HDF-GDE通过摒弃该基底，仅由催化剂、疏水性PTFE和嵌入其中的不锈钢网骨架构成，使CO2能够直接接触催化剂活性位点，从而极大加速了整个系统的传质动力学。

研究团队以具有阶梯表面的银（SS-Ag）纳米颗粒为模型催化剂，在无碱金属阳离子（纯水进料）的MEA体系中验证了该设计的有效性。

结果表明，HDF-GDE不仅将ECO2R制CO的电流密度从150 mA/cm2大幅提升至400 mA/cm2，同时保持了约90%的高法拉第效率，且CO2转化率显著提高。

更重要的是，该策略成功实现了千瓦级的系统放大，装配有HDF-GDE的电堆在超过1000小时的长期运行中表现出卓越的稳定性，分别以1.29 kW和1.95 kW的功率高效生产了144 kg CO和17 kg C2H4，其CO2单程转化率分别高达81%和较基准提升约15倍。

经济性分析进一步证实，该无碱金属阳离子HDF-GDE系统在大规模生产CO方面已具备经济可行性，其成本低于市场价格，凸显了其巨大的工业应用潜力。

Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer.

Nat. Commun.

（来源：材料化学动态版权属原作者 谨致谢意）