以可再生电力驱动的电催化二氧化碳还原 (eCO2R) 可将 CO2 转化为高值化学品，同时消纳间歇性可再生能源，是一种前景广阔的先进负碳技术。采用气体扩散电极 (GDE) 的零间隙膜电极组件 (MEA) 克服 CO2 溶解度限制并具有较低欧姆损失，兼具高电流密度和高能量效率，被广泛认为是最具应用前景的 CO2 电解器件。常规阴离子交换膜 (AEM) MEA 具有较高 eCO2R 选择性，但 CO32⁻ 交叉问题导致 CO2 损失严重（损失率 ≥50%）。酸性 eCO2R MEA 利用阳离子交换膜 (CEM) 和酸性电解质，能够解决 CO32⁻ 交叉问题，理论 CO2 利用率高达 100%。然而，酸性 MEA 中高 H+ 浓度导致析氢副反应动力学快，eCO2R 选择性低。因此，通常加入 K+/Cs+ 等碱金属阳离子，以抑制酸性 MEA 中析氢反应并加快 eCO2R 动力学。然而，K+/Cs+ 会以碳酸盐/碳酸氢盐在阴极 GDE 析出，加速水淹过程，破坏气体-电极-电解质界面，导致酸性 MEA 的运行稳定性差。
研究内容
近日，苏州大学彭扬教授团队探讨酸性 eCO2R MEA 中盐析和水淹的基本原理，并提出解决盐析和水淹问题的潜在方案。
Figure 1.酸性 eCO2R MEA 中盐析和水淹过程示意图。
酸性 MEA 盐析和水淹成因：CEM 对 K+/Cs+ 等阳离子具有良好的透过性。在 eCO2R 中，阳极电解液中 K+/Cs+ 会在电场作用下穿过 CEM，并不断在阴极 GDE 累积。同时 eCO2R 产生的 OH⁻ 与 CO2 中和，形成大量 CO32⁻/HCO3⁻。一旦 CO32⁻/HCO3⁻ 与 K+/Cs+ 浓度超过碳酸盐/碳酸氢盐的溶解度极限，就会在阴极 GDE 造成盐析。K+/Cs+ 和 H+ 在电场作用下迁移到阴极时携带水合层，同时 H+ 与 CO32⁻/HCO3⁻ 反应形成 H2O，使得 H2O 由阳极电解液净流向阴极。盐析和水淹互相促进，破坏阴极气液固三相界面，导致 MEA 器件失效。
Figure 2.酸性 eCO2R MEA 中盐析和水淹的潜在解决方案。
酸性 MEA 盐析和水淹潜在解决方案：在维持 eCO2R 高选择性的前提下，尽可能降低阳极液中 K+/Cs+ 浓度（图 2a）；采用具有活化 CO2、稳定 eCO2R 中间体功能的有机阳离子层（ CPL ）取代 K+/Cs+（图 2b）；通过提高活性位点数量，降低局部 CO32⁻/HCO3⁻ 浓度（图 2c）；优化 CL/AEM/CEM 界面，加速 CO32⁻/HCO3⁻ 消耗（图 2d）；提高 GDE 疏水性，抑制水淹速率（图 2e）；在疏水 GDE 上构筑主动排水通道，有效管理 GDE 内水含量（图 2f）。该成果以 “Salt precipitation and water flooding intrinsic to electrocatalytic CO2 reduction in acidic membrane electrode assemblies: fundamentals and remedies”(《酸性二氧化碳还原膜电极组件中盐析和水淹：基本原理和解决方案》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 EES Catalysis 上。
论文信息
Salt precipitation and water flooding intrinsic to electrocatalytic CO2 reduction in acidic membrane electrode assemblies: fundamentals and remedies
Qianqian Bai,† Likun Xiong,† Yongjia Zhang, Mutian Ma, Zhenyang Jiao, Fenglei Lyu,* Zhao Deng and Yang Peng*（彭扬，苏州大学）
EES. Catal., 2024, 2, 1228-1237 https://doi.org/10.1039/D4EY00170B
作者简介
彭扬教授 苏州大学苏州大学能源学院院长，教授、博导。担任江苏省先进负碳技术重点实验室副主任、苏州市低碳技术与产业化重点实验室主任。研究领域关注 CO2 活化与催化转化、绿氢与二氧化碳耦合的基础与应用研究，探究金属-有机催化剂结构设计与微观调控对 CO2 分子活化与催化转化的影响。以第一/通讯作者在 Science, J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci. 等期刊上发表学术论文。
课题组主页： http://catalysis.energy.suda.edu.cn/
团队主要研究方向：
功能化金属有机化合物二氧化碳资源化利用研究。近几年，团队依托江苏省先进负碳技术重点实验室和苏州市低碳技术与产业化重点实验室，探究金属-有机配合物的结构组装与微观调控对 CO2 分子活化与催化转化的影响：
3）发展新型 CO2 膜电极关键组件，构筑高能效、长寿命 CO2 电解体系（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2214609；Energy Environ. Sci. 2023, 16, 4423）。
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EES Catalysis 以聚集催化领域的关键性成果为目标，发表能源与环境催化领域的高质量研究工作，以期能为全世界的相关领域研究人员带来有益的启发。这本新刊属于 Energy & Environmental Science 的同品牌期刊，发文范围涵盖化学、材料科学与工程学领域的各类催化研究。作为一本金色开放获取的期刊，读者可免费获取论文的全文，同时从该刊发布起到 2025 年年中免收论文发表费用。
