Nature大子刊

在利用可再生能源驱动二氧化碳电化学还原（CO₂RR）制备高价值化学品（如一氧化碳）的过程中，工业规模应用长期受制于两大工程难题：盐析出与碳损失。目前大多数高效CO₂RR依赖于中性或碱性电解质以抑制析氢副反应，然而，电解液中高浓度的碱金属阳离子极易与CO₂衍生的碳酸根/碳酸氢根结合，在气体扩散电极内部造成严重盐结晶，堵塞孔道。同时，阴极生成的碳酸根离子在电场作用下会穿过阴离子交换膜（AEM）到达阳极被氧化，导致二氧化碳利用率低下。尽管双极膜（BPM）结构通过引入质子交换膜（PEM）层阻止了碳酸根跨膜迁移，但在高电流密度下，双极膜界面处因酸碱中和剧烈产生大量CO₂气泡，引发膜层剥离与电压飙升，严重破坏运行稳定性。因此，开发一种既能消除盐析出和碳损失，又能维持界面结构稳定的新型纯水电解器架构，是实现CO2电还原工业化的迫切需求。

成果简介

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）、魏鹏飞等研究者报道了一种在质子交换膜（PEM）上涂覆碱性聚合物层（APL）的新型电解器架构（简称ACPEM），旨在通过纯水进料彻底解决CO₂电解中的盐析出和碳损失问题。

作者通过有限元模拟指导，合成了具有高密度季铵基团的碱性聚合物，用以在催化剂表面富集OH⁻并调控双电层电场，从而增强CO₂吸附能力与界面离子传导率。在该设计中，PEM层的质子传导有效中和了碳酸根物种抑制了碳损失，而APL的多孔结构既提供了碱性局域环境抑制析氢，又促进了气体快速释放防止界面分层。

实验结果表明，该电解器在200 mA cm⁻²电流密度下实现了62.4%的单程CO₂转化率、39.0%的全电池能量效率及约80%的碳利用率，并稳定运行超过260小时。进一步的放大验证显示，由6片100 cm²膜电极组成的电堆在70 A总电流下，最大一氧化碳产率可达2054.5 ml min⁻¹。

相关论文以“Co-electrolysis of CO2 and H2O in an alkaline polymer layer-coated proton-exchange-membrane electrolyzer”为题，发表在Nature Chemical Engineering上。

图文导读

图1 ACPEM电解器的设计理念与基于有限元模拟的对比分析

图1展示了ACPEM电解器的设计理念与基于有限元模拟的对比分析。图1a至1c分别对比了传统阴离子交换膜（AEM）、双极膜（BPM）以及本工作提出的碱性聚合物涂层质子交换膜（ACPEM）的结构示意图。

为了解决AEM中严重的碳酸根跨膜迁移问题（碳损失）以及BPM中界面CO₂过饱和导致的气泡分层问题，作者设计了无流场的阴极板与多孔APL耦合的结构。图1d基于Planck-Nernst-Poisson模型预测了在400 mA cm⁻²电流密度下，BPM与ACPEM内碳物种通量随距离的分布情况，结果显示PEM区域的酸性环境有效抑制了碳酸氢根与碳酸根的向阳极迁移通量。

图1e和1f进一步揭示了BPM面临的困境：在AEM与PEM界面处，CO₂的局域生成速率在高电流密度下急剧攀升（200 mA cm⁻²时即达22.1 M s⁻¹），导致界面CO₂浓度远超亨利定律饱和极限，从而必然诱发气泡生成与膜层剥离。相比之下，ACPEM的设计通过取消阴极流场槽道并提供均匀机械支撑，增大了界面处CO₂的溶解压力容限，同时利用APL的多孔结构导气，从模拟层面证实了该结构在抑制界面破坏与维持高电流密度稳定性方面的显著优势。

结论展望

该项工作证实了由Nafion膜与QAPPT碱性聚合物层复合而成的ACPEM架构能够从工程本质上解决CO₂电还原中的盐沉淀与碳损失痛点。有限元模拟揭示其机理在于：PEM传导的质子将迁移的碳酸根中和再生为CO₂，而多孔APL则构建了局部碱性催化界面并缓解了界面气体过饱和导致的鼓泡分层。特别地，通过设计具有高离子交换容量的PBPQ1离聚物修饰阴极，作者在催化剂双电层内成功建立强碱性微环境，强化了电场强度与离子输运，显著抑制了析氢反应。得益于此，ACPEM在500 mA cm⁻²下保持近100%的CO法拉第效率，并在1 A cm⁻²高电流密度下仍达85.6%。最终，6片100 cm²电堆的连续运行验证了该技术的规模化潜力。该成果为纯水相CO₂电解的长期稳定运行与工业放大提供了兼具科学价值与工程可行性的解决方案。

文献信息

Song, Y., Guo, X., Fu, Y. et al. Co-electrolysis of CO2 and H2O in an alkaline polymer layer-coated proton-exchange-membrane electrolyzer. Nat Chem Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s44286-026-00381-4

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