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电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）作为实现碳捕集利用的重要技术，为二氧化碳转化为化学品和燃料提供了绿色解决方案。然而，传统的气体扩散电极（GDE）在规模扩大时面临导电性与疏水性之间的权衡，导致性能显著下降。本文提出了一种全新的分层导电GDE（HCGDE）设计，解决了传统ePTFE基电极在大面积应用中的导电性限制，并实现了高效的CO₂还原反应。
成果简介
研究团队通过在疏水性良好的ePTFE膜中引入微米级导电元件，实现了分层导电结构的设计。实验结果显示，HCGDE在50 cm²的工业级电极尺寸下，电池电压降低0.9 V，并维持~75%的C₂+产物法拉第效率，表现出显著的规模化潜力。这一设计不仅突破了传统GDE的导电性与疏水性限制，还为实现二氧化碳电解技术的工业化铺平了道路。
研究亮点
分层导电架构创新
通过引入微米铜导线，显著降低了催化层的欧姆损失，实现了电极的大规模化应用。卓越的规模化性能
在50 cm²电极下维持低电池电压（3.52 V）和高C₂+产物选择性（~75%）。模型驱动的设计优化
利用有限元模型预测并优化导线间距等关键设计参数，确保性能的最大化。工业应用前景广阔
HCGDE在电解槽中的表现显著优于传统ePTFE电极，为进一步提升电化学设备的效率提供了新思路
配图精析
图1：展示传统GDE架构与新型HCGDE的对比。传统碳纸电极容易受浸水影响失去疏水性，而ePTFE电极因导电性差而受限于小尺寸应用。HCGDE通过引入导线实现了疏水性和导电性的平衡。
图2：通过实验和模拟结果对比展示电极尺寸变化对性能的影响。4.2 cm²电极的电压梯度和选择性降低现象得到验证，揭示了电极扩展中欧姆损失的显著影响 。
图3：基于模型驱动的HCGDE设计。模拟结果展示了最佳导线间距如何减少电压损失并提高乙烯选择性。图中还展示了电极设计单元的模拟结果，以及不同导线间距下电流源之间的电位变化 。
图4：50 cm² HCGDE和未经改良的ePTFE电极在相同条件下的性能对比。HCGDE在较低电压下实现了更高的电流密度和C₂⁺选择性，显示了其优越的导电性和高效性 。
图5：HCGDE的长期稳定性测试结果。测试表明HCGDE在75小时内表现出显著的稳定性，而传统碳纸电极性能快速下降，显示出HCGDE在大电流密度下的耐用性 。
展望
HCGDE通过分层导电架构解决了传统气体扩散电极在规模化应用中的导电性瓶颈，为CO₂RR技术的工业化发展提供了新的可能性。未来研究可进一步优化催化剂和电极设计，推动二氧化碳电解技术在清洁能源领域的广泛应用。
文献信息
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-53523-8
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53523-8
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