南京大學鐘苗課題組JACS:?氣–液雙通道傳輸電極策略實現穩定高效碳酸氫鹽電解

第一作者：劉朝陽

通訊作者：鐘苗教授

通訊單位：南京大學現代工程與應用科學學院

論文DOI：10.1021/jacs.5c20900

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南京大學鐘苗課題組開發了一種具有氣–液雙相傳輸能力的NafionTM–SiC復合分層電極結構，在催化劑和雙極膜間構建出同時具備穩定二氧化碳（CO2）輸運通道與高效離子傳導路徑的界面環境。該結構不僅顯著提升了原位電催化條件下界面CO2濃度(高達75%)，并進一步通過促進K+富集和提升局部pH，強化了電還原CO2，抑制了析氫反應（HER）。依托于電化學界面調控機制，在100 mA cm?2工業級電流下，實現以下性能：

• 84–88% CO法拉第效率

• 35.8%能量效率

• >1100小時連續穩定運行

并驗證了該設計對Bi、Sn等催化劑的普適提升能力。

背景介紹

碳酸氫鹽（HCO3?）電解可耦合煙氣捕集與可再生電能利用，將工業排放低濃度CO2電催化轉化為綠色碳一化學品，但相較純CO2電解，一步HCO3?電解條件更為苛刻：普通電極表面往往反應物CO2濃度很低，同時膜表面強酸環境進一步加劇了析氫副反應（HER），導致反應活性、選擇性和穩定性等存在一系列挑戰。

針對傳統HCO3?電解中CO2供給不足與界面離子傳輸受限問題，研究團隊在雙極膜（BPM）與催化劑層之間，引入了一層5–15 μm厚度NafionTM–SiC納米復合涂層，構建了具有穩定氣–液雙重滲透能力電極界面調控方法。

本文亮點

1. 提出構建氣–液雙相傳輸的電極結構，顯著提高CO2供給能力，原位電催化條件電極界面CO2濃度提高至75%。NafionTM的疏水性氟碳鏈相互連通，形成連續的CO2傳輸通道；SiC納米顆粒之間的孔隙為電解液和K+提供了高效傳輸路徑，實現原位電催化條件下電極界面富集K+離子，并抑制OH?傳輸實現界面近中性pH，強化CO2電化學還原，抑制HER。

2. SiC–NafionTM的絕緣性質，阻止K+在電場作用下的異常滲透，長期保持電極疏水結構完整與氣–液雙通道，實現碳酸鹽電解大于1100小時的超長穩定運行。

圖文解析

圖1展示了HCO3?電解的電極結構示意圖，雙極膜原位生成CO2、經由NafionTM–SiC涂層輸運至催化劑表面。電鏡清晰展示了從覆蓋涂層到催化劑層到導電層電極結構，明確電極表面高效氣–液雙相傳輸通道，全面提升HCO3?電解性能。

圖1 碳酸氫鹽電解原理與氣–液雙相傳輸電極的整體結構設計

圖2通過不同厚度涂層下CO2滲透實驗，定量揭示了NafionTM–SiC復合涂層在氣體和液體傳輸能力上的獨特優勢。厚度優化測試顯示，約5–10 μm的涂層厚度可同時滿足快速CO2輸運與高效液相離子傳輸的要求，使分層電極在傳質性能上具備最佳平衡，證明了NafionTM–SiC復合層在建立氣–液協同傳質網絡中的關鍵作用。

圖2 分層電極涂層氣液傳遞測試

圖3綜合數值模擬與局部化學環境分析顯示，復合涂層能夠顯著促進K+在界面處的富集，并通過限制OH?擴散使局部pH從強酸性提升至弱堿區間，顯著抑制HER，從而為體系在高電流密度下維持優異的CO2還原選擇性提供了依據。

圖3 界面微環境的多維度調控：K+富集與局部弱堿性環境

圖4展示了分層電極在不同電解液濃度、電流密度以及不同離聚物結構下的電化學性能對比，說明了NafionTM–SiC設計對維持高CO法拉第效率和高能量效率的作用。在優化結構下，電極在100 mA cm?2工業級電流密度下，實現了84–88%的CO法拉第效率，能量效率達35.8%，連續運行超過1100小時穩定性測試未出現明顯的性能衰減。

圖4 NafionTM–SiC分層結構實現高效碳酸氫鹽電解與>1100小時耐久性

圖5從微觀結構、元素分布等多個角度揭示了NafionTM–SiC分層電極實現長期穩定運行的根本原因。長時間運行后的表面與截面SEM顯示，該涂層在千小時運行后仍保持疏水結構完整，且未出現明顯的浸潤與結構塌陷；而對照體系中不含NafionTM–SiC層則因K+在電場驅動下持續滲透而親水化，導致電極失效。進一步的EDX、XPS與形貌分析證實，SiC的電絕緣特性有效阻止了K+的持續累積，是涂層保持穩定氣體通道和長期疏水性的關鍵所在。該圖從結構演化的角度為體系實現千小時級穩定運行提供了直接證據。

圖5 結構穩定性機理：電極疏水性保持與K+滲透抑制機制

總結與展望

通過構建具備氣–液雙相協同傳輸能力的NafionTM–SiC分層電極，解決了HCO3?電解在CO2供給不足、界面酸化嚴重、析氫反應競爭以及電極結構易失穩等方面的瓶頸。該分層結構能夠在催化劑界面同時實現高濃度CO2、高濃度K+與弱堿性pH的協同調控，并在長時間運行中穩定保持疏水結構完整，使體系在工業相關電流密度下獲得優異的CO選擇性與能量效率。更為重要的是，該結構展現出超過千小時的穩定性，顯著超越現有HCO3?電解體系的耐久性水平，體現了界面結構工程在電化學轉化中的潛力。

作者介紹

劉朝陽，南京大學現工院博士研究生（導師：鐘苗教授）。以第一作者在J. Am. Chem. Soc.等學術刊物上發表論文2篇。

鐘苗，博士，南京大學現工院教授，博士生導師，2018年入選“海外高層次人才計劃”。本碩畢業于上海交通大學，博士畢業于東京大學。分別在東京大學、JSPS、NEDO和多倫多大學從事博士后研究工作，一直從事小分子電催化方面的研究工作。獨立工作以來，以第一或通訊作者身份在Nature，Nat. Catal，J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. In. Ed.等國際學術期刊上發表論文70多篇。發表英文學術專著章節2章，主編英文學術專著1本，授權并轉讓美國專利1項。

參考文獻

Zhaoyang Liu, Haoyang Jiang, Zhicong Li, Yongcheng Xiao, Le Li, Jin Zhang, Sheng Guo, Miao Zhong*. Sustainable and efficient bicarbonate electrolysis via enhanced CO2 and cation availability on a gas-water dual-permeable electrode. J. Am. Chem. Soc. 2026.

https://doi.org/10.1021/jacs.5c20900

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