用于酸性电化学CO2还原中盐析管理的无膜CO2氢化电解槽

将气候污染物转化为有用的液体燃料

来自发电厂和工厂的二氧化碳（CO2）是气候变化的主要推动力，但它同时也是一种廉价且丰饶的原料。科学家正在竞相利用可再生电力将CO2转化为有用的化学品。本研究解决了一个在实际中悄然限制这些技术的瓶颈：类工业反应器内部盐类的积聚会逐步阻塞性能。研究人员提出了一种新的无膜反应器设计，能够在数天内持续稳定运行，同时高效地将CO2转化为甲酸——一种可用作化学原料、防腐剂或能量载体的液体。

为何现有的CO2装置会堵塞

许多CO2转化装置看起来像紧凑的燃料电池。CO2被送入一侧（阴极），在此被转化为产物，而另一侧（阳极）分解水以提供所需的正电荷（质子）。两侧之间有一层称为膜的薄聚合物片，允许特定离子通过但保持液体分隔。在碱性或中性电解液中，大量CO2会与氢氧根反应生成碳酸盐，从而不是形成有用产物，这会浪费碳并且需要耗能的回收过程。酸性电解液可以避免这一点，但系统因此依赖于膜快速且均匀输送质子的能力。当质子输送滞后时，阴极处的局部酸度会上升（即pH变高），碳酸盐和碳酸氢盐会结晶，固体盐逐渐堵塞气体扩散电极中的气体通道，阻碍CO2到达催化剂。

一种无需屏障的质子传输新方式

团队首先量化了在典型酸性反应器中质子跨膜传输的效率，提出了一个简单的度量：每流过电路的电子对应穿过膜的质子数。通过理论和计算机模拟，他们表明实际膜很少达到理想的质子传输率。较厚的膜、较低的质子选择性以及某些离子混合都会减缓质子运动并在两侧之间产生不均匀的酸度。实验证实了这一点：在标准有膜的电池中，阴极液（阴极处的液相）在数小时内从强酸性漂移到近中性，促使碳酸盐形成并在气体扩散电极深处发生盐析。

无膜CO2氢化

为彻底摆脱膜的瓶颈，研究人员移除了膜，让单一的共用液体流经两电极。这本身稳定了pH，但也产生了新问题：在阴极生成的有价值甲酸可能在执行氧气析出反应的传统阳极处被氧化分解，氧气析出在相对较高电压下进行，很多有机分子会被氧化。解决方案是用氢氧化反应取代氧气析出——本质上是在很低电压下将氢气“燃烧”成质子。在这种无膜的CO2氢化电解槽中，氢气供应到阳极，CO2供应到阴极，流动的液体将两侧产生的质子和氢氧根迅速混合，避免持久的pH梯度并大幅减少盐析。

智能催化剂与长期性能

在阴极的核心，作者构建了一种铋–银（Bi–Ag）催化剂，将铋在生成甲酸根方面的倾向与银优良的电导性结合起来。显微与光谱分析显示银纳米颗粒分散于铋纳米片上，且两种金属之间存在微妙的电子相互作用，这有利于CO2的吸附与活化。在酸性溶液中，该催化剂在宽电流范围内以超过90%的选择性将CO2转化为甲酸。在置于无膜、耦合氢气的反应器中时，它在100毫安每平方厘米电流密度下以仅1.7伏的电压实现了超过90%的效率——显著低于竞争设计——并稳定运行了208小时。运行数日后在电极中仅检测到微量碳酸盐，显示困扰早期反应器设计的盐析问题在很大程度上被抑制。

从实验室装置到实用的CO2升级

除了证明该概念可行外，团队还将设计推进到更具实际意义的方向。通过缩小电极之间的液相通道，他们降低了电阻并在更低电压下保持高性能。他们实现了最高77%的单次通过CO2转化效率，意味着进入电池的大部分CO2在一次通过中就被转化为产物。经济模型表明，去除膜、降低能耗以及实现高碳利用率可以显著降低甲酸的生产成本，尽管进一步的节省将取决于更便宜的电力、更高效的产物与液相分离以及更高的电流运行。总体而言，这项工作展示了一条实用路线，将废弃CO2转化为有用的液体化学品，同时规避了困扰早期反应器设计的关键耐久性问题。

引用: Da, Y., Fan, L., Wang, W. et al. Membrane-free CO₂ hydrogenation electrolyzer for salt precipitation management in acidic electrochemical CO₂ reduction. Nat Commun 17, 1872 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68600-3

关键词: CO2电化学还原, 蚁酸（甲酸）, 无膜电解槽, 氢氧化反应, 碳利用率