近日，松山湖材料实验室/中国科学院东莞材料科学与技术研究所研究员刘利峰团队联合广东工业大学教授刘全兵团队，在安培级二氧化碳电还原制多碳产物研究方面取得重要进展。相关成果以副封面文章形式发表于《美国化学会能源快报》（ACS Energy Letters）。

当期期刊副封面。研究团队供图

研究团队针对传统碳基气体扩散电极在碱性、高电流密度条件下存在的微孔层传质受限与电润湿淹没瓶颈，在传质模拟指导下，设计构建了由Nafion包覆铜纳米线网络催化剂层与疏水、无微孔层PTFE气体扩散层组成的复合气体扩散电极（Cu NWs@Nafion/PTFE），通过强化二氧化碳传质，实现了安培级电流密度下二氧化碳向多碳产物的高效电合成。

二氧化碳电还原反应利用可再生电力将二氧化碳转化为高附加值化学品，是闭合人为碳循环的重要路径之一。其中，乙烯、乙醇、正丙醇等多碳产物因市场价值高、能量密度大且与现有化工基础设施兼容而具有显著应用前景。然而，常规H型电解池的电流密度通常低于60 mA cm^-2，难以满足工业化需求；流动电解池中使用的气体扩散电极虽可突破该限制，但传统碳基气体扩散电极的微孔层孔径通常小于100 nm，严重制约二氧化碳快速传输，且在碱性、高电流密度及稀释二氧化碳条件下易发生电润湿，导致电解液侵入气体扩散通道、电极淹没失效，成为制约安培级多碳产物电合成的主要瓶颈。

针对上述问题，研究团队在国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目资助下，首先建立了二氧化碳传质模型，定量揭示了气体扩散层孔径与催化层厚度对电极内部局部二氧化碳浓度的协同调控规律。模拟结果表明，将气体扩散层孔径从0.10 μm增大至0.45 μm，可使到达催化层界面的二氧化碳浓度提升约2.0倍，催化层内部二氧化碳浓度提升约3.5倍，并将维持5 mM局部二氧化碳浓度的深度从约3 μm扩展至约10 μm。这表明，大孔径气体扩散层不仅提升了现有活性位点的二氧化碳供给，还为采用更厚催化层、容纳更多活性位点创造了条件。然而，传统碳基气体扩散层因微孔层（孔径通常< 0.1 μm）严重阻碍二氧化碳快速传输，且在碱性高电流密度条件下易发生电润湿和电解液淹没，与上述设计原则难以兼容。

基于模拟结果，研究团队设计了Cu NWs@Nafion/PTFE复合气体扩散电极。该电极由三部分构成：以高孔隙率、疏水的聚四氟乙烯膜替代传统碳纸作为气体扩散层，消除微孔层扩散屏障并从根本上抑制电润湿与淹没；以自支撑、三维互联的铜纳米线网络作为催化层，其本征导电性使其可替代碳纸集流体，且500-900 nm的大孔结构能保证二氧化碳在厚催化层内无阻渗透；在铜纳米线表面均匀包覆Nafion离聚物，将气-液-固三相接触点扩展为沿每根活性铜纳米线连续延伸的反应通道。该电极通过湿化学还原合成铜纳米线、Nafion包覆、真空抽滤三步简便工艺制备而成。

电化学测试表明，通过协同优化气体扩散层孔径（0.45 μm为最优）与催化剂负载量（3.0 mg cm^-2为最优），Cu NWs@Nafion/PTFE复合电极在-1.0 V（vs. RHE）下对多碳产物产物的法拉第效率高达88.1%，分电流密度达1.19 A cm^-2，并在0.8 A cm^-2下稳定运行超过38小时。在模拟烟气（15% 二氧化碳）条件下，电极仍保持71.9%的多碳产物选择性，析氢法拉第效率被抑制至13.2%；其二氧化碳转化率（11.9%）甚至高于纯二氧化碳进料时的水平（9.75%），表明系统级传质优化可有效弥补进料稀释的不利影响。与传统碳纸负载铜纳米线电极及商用铜纳米颗粒/碳纸电极相比，Cu NWs@Nafion/PTFE在总电流密度、多碳产物法拉第效率、多碳产物分电流密度、多碳产物/C?选择性比率及二氧化碳转化率等指标上均全面领先。

该研究提出了一种高性能二氧化碳电解策略：将气体扩散层与催化剂层视为相互耦合的传质系统进行整体设计与协同优化，突破了传统“分部件独立优化”的思路局限，为安培级多碳产物电合成提供了一种可迁移的电极设计框架。该思路不限于二氧化碳还原反应，还可推广至各类气体进料式电合成过程——在此类过程中，传质限制往往在工业级电流密度下决定产物选择性，因此该研究也为相关反应的选择性调控提供了重要参考。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01954