通过加速传质实现千瓦级无碱金属阳离子CO2电解

把气候问题变成有用的产物

来自工厂和发电厂的二氧化碳（CO₂）是推动气候变化的主要因素，但它同时也是一种廉价且丰富的碳源。科学家们正在开发装置，利用低碳电力将CO₂“回收”成有价值的燃料和化学品。本文报道了朝着在工业规模运行此类CO₂‑转‑燃料装置迈出的关键一步——达到相当于小型社区的功率水平，同时保持稳定、高效并具有经济竞争力。

为何分子移动很重要

现代CO₂‑转‑燃料装置通过薄层分层结构输送气体，在那里CO₂接触催化剂并被转化为诸如一氧化碳（CO）和乙烯（C₂H₄）等产物，后者是塑料的构件。多年来，研究重点一直是发明更好的催化剂。然而，正如作者所示，更大的瓶颈已成为CO₂和反应产物在这些层间进出速度——即所谓的传质问题。如果CO₂供给得太慢，更多的CO₂会被转化但总产量仍然较低；若供给过快，装置能产出大量产物但浪费大部分CO₂。传统的气体扩散电极基于厚碳纸构建，会在复杂通路中困住气体，并在所需产物的高选择性与高CO₂转化率之间形成权衡。

为二氧化碳开辟一条新高速路

为打破这种权衡，研究者重新设计了装置的核心——气体扩散电极，称为高扩散通量气体扩散电极（HDF‑GDE）。新设计不是将催化层涂覆在独立的碳基底上，而几乎全部由催化剂构成，中间以一层薄不锈钢网加固。较大且连通良好的孔隙以及加入的疏水材料让CO₂气体能直接到达活性位点，而无需挤过惰性基体。使用专门工程化的银催化剂（主要将CO₂转化为CO）的测试表明，这种新电极在保持产物选择性很高的同时，可在工业级电流密度下运行。在一侧仅供给纯水、另一侧供给CO₂的紧凑电池中——无需添加碱性盐——该装置达到了约400毫安/平方厘米的电流密度，约有90%的电流用于生成CO，远优于以往无碱体系。

放大到千瓦功率

有前景的实验室电池在放大时常常失败，因此团队组装了一个由六个膜电极单元组成的完整堆栈，每个单元大小相当于一本平装书，以测试实际性能。采用基于银的HDF‑GDE时，该堆栈在约1.3千瓦电功率下运行超过1000小时，将约81%的进CO₂稳定地转化为CO，气体流量与小型工业单元可能面对的流量相当。在此期间它产生了约144公斤的CO。随后同一设计被改用于偏向生成乙烯的铜催化剂。在该配置下，类似的千瓦级堆栈运行超过1000小时，产出约17公斤乙烯，与旧有电极结构相比，CO₂‑转‑乙烯的转化提高了约15倍。

窥探过程内部

为理解新电极为何表现优异，作者结合了细致成像、实时激光光谱和计算模拟。他们发现，开放的、网状加固的催化层在微观和器件尺度上都支持比传统碳纸设计更快的气体传输。更多的CO₂和关键反应中间体覆盖在催化剂表面，而在该情境下不希望出现的氢气得到抑制。模拟显示，尽管沿流动路径CO₂浓度随着消耗最终下降，但HDF‑GDE中碳物种的总体“通行量”要高得多，这反过来提高了电流和CO₂转化率，而无需对气体供给进行限流。

从实验台到经济可行性

最后，团队评估了此类系统是否具有经济意义。基于他们千瓦级堆栈的性能数据，建立了包含设备成本、电价和未反应CO₂回收的技术经济模型。对于一氧化碳的生产，估算成本约为0.48美元/公斤——已低于当前市场价格，并且如果设备能使用若干年且使用价格合理的低碳电力，成本还可能进一步下降。乙烯尚未具备成本竞争力，主要因为选择性仍然有限，但分析表明，结合技术改进与诸如碳定价等气候政策，CO₂‑转‑乙烯也可能变得可行。总体而言，该研究表明，通过重新设计气体在电化学反应器中的流动方式，可以解锁技术和经济上的进展，使碳中和化学品制造更接近大规模现实。

引用: She, X., Xu, Z., Ma, Q. et al. Kilowatt-scale alkali-cation-free CO₂ electrolysis via accelerating mass transfer. Nat Commun 17, 2641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69175-9

关键词: CO2电解, 气体扩散电极, 碳中和燃料, 电催化, 传质