Nature子刊 | 千瓦級無堿陽離子CO?電解技術！

電催化CO2還原（ECO2R）通過將CO2轉化為碳中性燃料與化學品，為工業脫碳提供了可持續路徑。

盡管催化劑設計已取得進展，但緩慢的傳質動力學仍制約著工業化規模應用。

2026年2月12日，香港理工大學劉樹平、任競爭、江蘇大學許暉在國際知名期刊Nature Communications發表題為《Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer》的研究論文，Xiaojie She、Zhihang Xu、Qiang Ma、Qiming Qian為論文共同第一作者，劉樹平、任競爭、許暉為論文共同通訊作者。

在本文中，作者提出了一種高擴散通量氣體擴散電極（HDF-GDE），在無堿陽離子體系中突破該瓶頸，實現了工業電流密度下的CO2轉化率。

動力學分析表明，轉化效率受傳質效率主導而非流速。通過優化GDE結構以最大化CO2擴散效率與電極利用率，本文構建了千瓦級ECO2R系統，其穩定性超過1000小時，并可根據催化劑選擇產出CO或C2H4。

在3?L/min CO2流速下，該系統經1000 h運行可產出144?kg CO（1.29?kW）或17?kg C2H4（1.95?kW）。

配備HDF-GDE的無堿陽離子ECO2R體系，在規模化CO/C2H4電合成中展現出經濟可行性。

本研究彌合了實驗室創新與實際應用之間的鴻溝，推動碳中性化學品制造技術發展。

電催化二氧化碳還原（ECO2R）技術作為連接化石能源與可持續能源的關鍵技術環節，被認為是工業層面快速削減二氧化碳排放的最有前景的方案之一。為了提升其實際可行性，ECO2R技術已從H型電解池發展到采用氣體擴散電極（GDE）的流動池和膜電極組件（MEA）電池（圖1）。然而，這些體系的穩定性仍然存在問題（例如碳酸鹽生成和交叉）。最近，通過使用無堿金屬陽離子（純水進料）的MEA體系，MEA系統的穩定性已提高近一個數量級（ECO2R制乙烯的穩定性超過1000小時）。但其電流密度較低（制乙烯時僅約120 mA/cm2），導致產物收率有限（ECO2R制乙烯的CO2轉化率僅約1%），這嚴重阻礙了ECO2R技術的工業化進程。

采用GDE的ECO2R MEA電池源自燃料電池領域（圖1a-1c及補充圖2）。然而，ECO2R系統比燃料電池更為復雜（見補充說明1）。以碳紙GDE（CP-GDE）為例，在ECO2R陰極，析氫反應（HER）產生的H2、多種產物以及未反應的CO2使得系統內的傳質過程十分復雜（圖1b）。這導致了高ECO2R產物選擇性（法拉第效率：FE）與高CO2轉化率之間存在不可調和的矛盾（詳見補充說明1，以及補充圖3和表7）。即，降低反應物CO2的入口流速雖可提高CO2轉化率，但這會顯著減緩CP-GDE中的CO2傳質動力學并降低產物選擇性。

為同時實現高CO2轉化率和高產物選擇性，本文提出了一種高擴散通量氣體擴散電極（HDF-GDE），該電極僅由催化劑構成（圖1d）。HDF-GDE可使CO2無需穿過惰性的CP-GDE基底而直接擴散進入催化劑層（圖1e）。這不僅能顯著增加物質進出HDF-GDE的整體通量，還能極大地提高GDE的空間利用率。從化學動力學角度看，HDF-GDE可加速系統的傳質動力學，增加催化劑表面的CO2和關鍵反應中間體（如CO）的覆蓋度，并降低來自水傳遞的H覆蓋度。由于ECO2R活性對CO2/*CO覆蓋度具有一階或二階依賴關系，這有望提升ECO2R活性。

在本研究中目標是通過加速傳質動力學，在高穩定性的無堿金屬陽離子ECO2R體系中實現高工作電流密度（即高CO2轉化率），同時保持高產物選擇性。此處的無堿金屬陽離子條件指水中來源的痕量鈉離子。為此，作者開發了一種HDF-GDE，其在催化劑中間層包含一個不銹鋼網骨架。我們選用高性能的階梯表面銀（SS-Ag）催化劑作為模型催化劑來研究該體系的傳質動力學，因其具有單一產物選擇性（即CO）。結果表明，通過提高傳質效率，無堿金屬陽離子ECO2R制CO體系的電流密度從150 mA/cm2提升至400 mA/cm2，同時保持了高產物法拉第效率（~93%）。為進一步提高CO?轉化率并推動ECO2R技術的工業化，本文設計并定制了一個千瓦級的無堿金屬陽離子MEA電堆，該電堆裝配了HDF-GDE，用以評估整個系統的穩定性。

在~1.29 kW（60 A）的功率和3 L/min的CO2入口流速下，CO2轉化率突破81%，CO法拉第效率達~90%。此外，HDF-GDE策略也成功應用于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轉化率提高了約15倍。這兩個系統的穩定性均超過1000小時，分別產出了~144 kg CO和~17 kg C2H4。對傳質動力學的實時分析有望革新ECO2R系統的設計，并加速其工業部署。

綜上，作者針對電催化二氧化碳還原（ECO2R）技術在工業化進程中因傳質動力學緩慢而導致的高產物選擇性與高CO2轉化率難以兼得的核心瓶頸，提出了一種創新的高擴散通量氣體擴散電極（HDF-GDE）策略。

傳統碳紙GDE（CP-GDE）中惰性基底阻礙了反應物和產物的高效傳輸，而HDF-GDE通過摒棄該基底，僅由催化劑、疏水性PTFE和嵌入其中的不銹鋼網骨架構成，使CO2能夠直接接觸催化劑活性位點，從而極大加速了整個系統的傳質動力學。

研究團隊以具有階梯表面的銀（SS-Ag）納米顆粒為模型催化劑，在無堿金屬陽離子（純水進料）的MEA體系中驗證了該設計的有效性。

結果表明，HDF-GDE不僅將ECO2R制CO的電流密度從150 mA/cm2大幅提升至400 mA/cm2，同時保持了約90%的高法拉第效率，且CO2轉化率顯著提高。

更重要的是，該策略成功實現了千瓦級的系統放大，裝配有HDF-GDE的電堆在超過1000小時的長期運行中表現出卓越的穩定性，分別以1.29 kW和1.95 kW的功率高效生產了144 kg CO和17 kg C2H4，其CO2單程轉化率分別高達81%和較基準提升約15倍。

經濟性分析進一步證實，該無堿金屬陽離子HDF-GDE系統在大規模生產CO方面已具備經濟可行性，其成本低于市場價格，凸顯了其巨大的工業應用潛力。

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

Nat. Commun.

（來源：材料化學動態版權屬原作者 謹致謝意）