在碱性零间隙CO2电解器中对气体扩散电极过度压缩的影响

为什么压紧清洁能源器件很重要

用电力把二氧化碳（CO2）转化为有用燃料和化学品，可以在很大程度上减少温室气体排放，尤其当电力来自可再生能源时。许多最有前景的CO2到燃料装置结构像三明治，由必须紧密夹合的薄多孔层组成。该研究表明，对其中一层——碱性CO2电解器中的气体扩散电极——压得太紧会适得其反，阻塞气体通道、促使液体淹没和盐类堆积，最终损害效率与稳定性。找到“恰到好处”的压缩程度，证明是一个简单但强有力的提升性能的杠杆。

这些器件如何将CO2转成燃料

这项工作集中于碱性零间隙CO2电解器，这类器件一侧（阴极）通入湿润的CO2气体，另一侧（阳极）有液体溶液流动。它们之间有一层薄膜和两块多孔气体扩散电极，将气体、液体和电子在催化位点汇聚。在阴极，CO2主要被转化为一氧化碳（CO），这是一种用于合成燃料和化学品的重要中间体，而氢气（H2）是一个不受欢迎的副产物。要让器件高效运行，CO2气体必须到达催化剂层，液体不能淹没孔隙，电极内部也不应生成盐晶体。机械压缩——堆栈被夹紧的程度——直接改变该多孔层的厚度和孔隙率，从而影响所有这些传质过程。

紧夹导致的隐蔽堵塞

研究人员比较了阴极气体扩散电极的三种压缩水平：厚度分别减少10%、20%和30%。他们在同步辐射装置上使用高速X射线成像，实时观察来自阳极侧的液体、冷凝水和固体盐析出在阴极内部的分布。在最高压缩（30%）时，电极孔道变得更曲折且更不通透。X射线吸收数据表明，更多液体和高浓度盐特别在催化剂区域和气体首次进入多孔层的界面处堆积，形成局部被困的液体和盐口袋，阻塞CO2流动——一种随时间恶化的微观堵塞。

从内部到外部测量性能损失

为将这些内部变化与实际性能关联，团队在工业相关的电流密度下运行电解器，同时追踪电池电压、电阻组成和产物分布。在30%压缩时，电池电压剧烈波动，这与两相流不稳定一致，即气体被液体间歇性阻塞。电化学阻抗测量显示，到测试结束时，30%压缩下的传质阻力——反应物到达反应位点的难度——比10%时高出七倍以上。该增加与盐类堆积相关，而非阳极问题，阳极的液体分布几乎没有变化。相比之下，与简单电导相关的欧姆电阻随压缩变化不大，表明过度压紧主要损害气液传输而非基本电导性。

为燃料产出寻找最佳压缩度

团队还测量了在90分钟运行期间器件选择性地产生CO而非H2的情况。最初，高压缩电极显示出稍高的CO产率，可能由于更短的扩散距离一度有利于CO2到达催化位点。但随着液体和盐在受限孔隙中累积，CO产量急剧下降，而H2产量上升并随后趋于稳定，表明CO2越来越受阻而水仍能到达催化剂。轻度压缩（10%）的情况起始时CO比例较低，但更为稳定，最终平均CO效率最高且性能衰减最小。这表明，更开放、孔道更不曲折的结构能在一段时间内更好地平衡气体通达、液体存在与盐管理。

这对更清洁的CO2转化意味着什么

从实践角度看，这项研究表明在组装CO2电解器时并非“越用力越好”。大约10%的适度压缩足以保持层间良好接触，同时保留CO2气体的开放通道，并限制液体与盐的滞留。过度压缩气体扩散电极反而挤压出器件赖以“呼吸”的通道，导致电压不稳定、传质损失增加以及CO选择性更快丧失。通过仔细调节机械压缩这一低成本的设计参数，工程师可以延长器件寿命、在高电流下稳定运行，并推动CO2电解向可行的工业应用更进一步。

引用: Farsi, A., Batta, V., Tugirumubano, A. et al. Impact of over compressing gas diffusion electrodes in alkaline zero-gap CO₂ electrolyzers. Sci Rep 16, 12443 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42959-1

关键词: CO2电解, 气体扩散电极, 机械压缩, 传质, 电化学转化