Nature大子刊

在利用可再生能源驅動二氧化碳電化學還原（CO?RR）制備高價值化學品（如一氧化碳）的過程中，工業規模應用長期受制于兩大工程難題：鹽析出與碳損失。目前大多數高效CO?RR依賴于中性或堿性電解質以抑制析氫副反應，然而，電解液中高濃度的堿金屬陽離子極易與CO?衍生的碳酸根/碳酸氫根結合，在氣體擴散電極內部造成嚴重鹽結晶，堵塞孔道。同時，陰極生成的碳酸根離子在電場作用下會穿過陰離子交換膜（AEM）到達陽極被氧化，導致二氧化碳利用率低下。盡管雙極膜（BPM）結構通過引入質子交換膜（PEM）層阻止了碳酸根跨膜遷移，但在高電流密度下，雙極膜界面處因酸堿中和劇烈產生大量CO?氣泡，引發膜層剝離與電壓飆升，嚴重破壞運行穩定性。因此，開發一種既能消除鹽析出和碳損失，又能維持界面結構穩定的新型純水電解器架構，是實現CO2電還原工業化的迫切需求。

成果簡介

中國科學院大連化學物理研究所包信和院士、汪國雄（現已加入復旦大學）、魏鵬飛等研究者報道了一種在質子交換膜（PEM）上涂覆堿性聚合物層（APL）的新型電解器架構（簡稱ACPEM），旨在通過純水進料徹底解決CO?電解中的鹽析出和碳損失問題。

作者通過有限元模擬指導，合成了具有高密度季銨基團的堿性聚合物，用以在催化劑表面富集OH?并調控雙電層電場，從而增強CO?吸附能力與界面離子傳導率。在該設計中，PEM層的質子傳導有效中和了碳酸根物種抑制了碳損失，而APL的多孔結構既提供了堿性局域環境抑制析氫，又促進了氣體快速釋放防止界面分層。

實驗結果表明，該電解器在200 mA cm?2電流密度下實現了62.4%的單程CO?轉化率、39.0%的全電池能量效率及約80%的碳利用率，并穩定運行超過260小時。進一步的放大驗證顯示，由6片100 cm2膜電極組成的電堆在70 A總電流下，最大一氧化碳產率可達2054.5 ml min?1。

相關論文以“Co-electrolysis of CO2 and H2O in an alkaline polymer layer-coated proton-exchange-membrane electrolyzer”為題，發表在Nature Chemical Engineering上。

圖文導讀

圖1 ACPEM電解器的設計理念與基于有限元模擬的對比分析

圖1展示了ACPEM電解器的設計理念與基于有限元模擬的對比分析。圖1a至1c分別對比了傳統陰離子交換膜（AEM）、雙極膜（BPM）以及本工作提出的堿性聚合物涂層質子交換膜（ACPEM）的結構示意圖。

為了解決AEM中嚴重的碳酸根跨膜遷移問題（碳損失）以及BPM中界面CO?過飽和導致的氣泡分層問題，作者設計了無流場的陰極板與多孔APL耦合的結構。圖1d基于Planck-Nernst-Poisson模型預測了在400 mA cm?2電流密度下，BPM與ACPEM內碳物種通量隨距離的分布情況，結果顯示PEM區域的酸性環境有效抑制了碳酸氫根與碳酸根的向陽極遷移通量。

圖1e和1f進一步揭示了BPM面臨的困境：在AEM與PEM界面處，CO?的局域生成速率在高電流密度下急劇攀升（200 mA cm?2時即達22.1 M s?1），導致界面CO?濃度遠超亨利定律飽和極限，從而必然誘發氣泡生成與膜層剝離。相比之下，ACPEM的設計通過取消陰極流場槽道并提供均勻機械支撐，增大了界面處CO?的溶解壓力容限，同時利用APL的多孔結構導氣，從模擬層面證實了該結構在抑制界面破壞與維持高電流密度穩定性方面的顯著優勢。

結論展望

該項工作證實了由Nafion膜與QAPPT堿性聚合物層復合而成的ACPEM架構能夠從工程本質上解決CO?電還原中的鹽沉淀與碳損失痛點。有限元模擬揭示其機理在于：PEM傳導的質子將遷移的碳酸根中和再生為CO?，而多孔APL則構建了局部堿性催化界面并緩解了界面氣體過飽和導致的鼓泡分層。特別地，通過設計具有高離子交換容量的PBPQ1離聚物修飾陰極，作者在催化劑雙電層內成功建立強堿性微環境，強化了電場強度與離子輸運，顯著抑制了析氫反應。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高電流密度下仍達85.6%。最終，6片100 cm2電堆的連續運行驗證了該技術的規模化潛力。該成果為純水相CO?電解的長期穩定運行與工業放大提供了兼具科學價值與工程可行性的解決方案。

文獻信息

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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