電催化CO2還原（ECO2R）通過將CO2轉(zhuǎn)化為碳中性燃料與化學(xué)品，為工業(yè)脫碳提供了可持續(xù)路徑。

盡管催化劑設(shè)計(jì)已取得進(jìn)展，但緩慢的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)仍制約著工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。

2026年2月12日，香港理工大學(xué)劉樹平、任競爭、江蘇大學(xué)許暉在國際知名期刊Nature Communications發(fā)表題為《Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer》的研究論文，Xiaojie She、Zhihang Xu、Qiang Ma、Qiming Qian為論文共同第一作者，劉樹平、任競爭、許暉為論文共同通訊作者。

在本文中，作者提出了一種高擴(kuò)散通量氣體擴(kuò)散電極（HDF-GDE），在無堿陽離子體系中突破該瓶頸，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)電流密度下的CO2轉(zhuǎn)化率。

動(dòng)力學(xué)分析表明，轉(zhuǎn)化效率受傳質(zhì)效率主導(dǎo)而非流速。通過優(yōu)化GDE結(jié)構(gòu)以最大化CO2擴(kuò)散效率與電極利用率，本文構(gòu)建了千瓦級ECO2R系統(tǒng)，其穩(wěn)定性超過1000小時(shí)，并可根據(jù)催化劑選擇產(chǎn)出CO或C2H4。

在3?L/min CO2流速下，該系統(tǒng)經(jīng)1000 h運(yùn)行可產(chǎn)出144?kg CO（1.29?kW）或17?kg C2H4（1.95?kW）。

配備HDF-GDE的無堿陽離子ECO2R體系，在規(guī)模化CO/C2H4電合成中展現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)可行性。

本研究彌合了實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新與實(shí)際應(yīng)用之間的鴻溝，推動(dòng)碳中性化學(xué)品制造技術(shù)發(fā)展。

電催化二氧化碳還原（ECO2R）技術(shù)作為連接化石能源與可持續(xù)能源的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，被認(rèn)為是工業(yè)層面快速削減二氧化碳排放的最有前景的方案之一。為了提升其實(shí)際可行性，ECO2R技術(shù)已從H型電解池發(fā)展到采用氣體擴(kuò)散電極（GDE）的流動(dòng)池和膜電極組件（MEA）電池（圖1）。然而，這些體系的穩(wěn)定性仍然存在問題（例如碳酸鹽生成和交叉）。最近，通過使用無堿金屬陽離子（純水進(jìn)料）的MEA體系，MEA系統(tǒng)的穩(wěn)定性已提高近一個(gè)數(shù)量級（ECO2R制乙烯的穩(wěn)定性超過1000小時(shí)）。但其電流密度較低（制乙烯時(shí)僅約120 mA/cm2），導(dǎo)致產(chǎn)物收率有限（ECO2R制乙烯的CO2轉(zhuǎn)化率僅約1%），這嚴(yán)重阻礙了ECO2R技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程。

采用GDE的ECO2R MEA電池源自燃料電池領(lǐng)域（圖1a-1c及補(bǔ)充圖2）。然而，ECO2R系統(tǒng)比燃料電池更為復(fù)雜（見補(bǔ)充說明1）。以碳紙GDE（CP-GDE）為例，在ECO2R陰極，析氫反應(yīng)（HER）產(chǎn)生的H2、多種產(chǎn)物以及未反應(yīng)的CO2使得系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)過程十分復(fù)雜（圖1b）。這導(dǎo)致了高ECO2R產(chǎn)物選擇性（法拉第效率：FE）與高CO2轉(zhuǎn)化率之間存在不可調(diào)和的矛盾（詳見補(bǔ)充說明1，以及補(bǔ)充圖3和表7）。即，降低反應(yīng)物CO2的入口流速雖可提高CO2轉(zhuǎn)化率，但這會(huì)顯著減緩CP-GDE中的CO2傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)并降低產(chǎn)物選擇性。

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高CO2轉(zhuǎn)化率和高產(chǎn)物選擇性，本文提出了一種高擴(kuò)散通量氣體擴(kuò)散電極（HDF-GDE），該電極僅由催化劑構(gòu)成（圖1d）。HDF-GDE可使CO2無需穿過惰性的CP-GDE基底而直接擴(kuò)散進(jìn)入催化劑層（圖1e）。這不僅能顯著增加物質(zhì)進(jìn)出HDF-GDE的整體通量，還能極大地提高GDE的空間利用率。從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度看，HDF-GDE可加速系統(tǒng)的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，增加催化劑表面的CO2和關(guān)鍵反應(yīng)中間體（如CO）的覆蓋度，并降低來自水傳遞的H覆蓋度。由于ECO2R活性對CO2/*CO覆蓋度具有一階或二階依賴關(guān)系，這有望提升ECO2R活性。

在本研究中目標(biāo)是通過加速傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，在高穩(wěn)定性的無堿金屬陽離子ECO2R體系中實(shí)現(xiàn)高工作電流密度（即高CO2轉(zhuǎn)化率），同時(shí)保持高產(chǎn)物選擇性。此處的無堿金屬陽離子條件指水中來源的痕量鈉離子。為此，作者開發(fā)了一種HDF-GDE，其在催化劑中間層包含一個(gè)不銹鋼網(wǎng)骨架。我們選用高性能的階梯表面銀（SS-Ag）催化劑作為模型催化劑來研究該體系的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)，因其具有單一產(chǎn)物選擇性（即CO）。結(jié)果表明，通過提高傳質(zhì)效率，無堿金屬陽離子ECO2R制CO體系的電流密度從150 mA/cm2提升至400 mA/cm2，同時(shí)保持了高產(chǎn)物法拉第效率（~93%）。為進(jìn)一步提高CO?轉(zhuǎn)化率并推動(dòng)ECO2R技術(shù)的工業(yè)化，本文設(shè)計(jì)并定制了一個(gè)千瓦級的無堿金屬陽離子MEA電堆，該電堆裝配了HDF-GDE，用以評估整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在~1.29 kW（60 A）的功率和3 L/min的CO2入口流速下，CO2轉(zhuǎn)化率突破81%，CO法拉第效率達(dá)~90%。此外，HDF-GDE策略也成功應(yīng)用于ECO2R制乙烯。在~1.95 kW（75 A）的功率和3 L/min的CO2入口流速下，ECO2R制乙烯的CO2轉(zhuǎn)化率提高了約15倍。這兩個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性均超過1000小時(shí)，分別產(chǎn)出了~144 kg CO和~17 kg C2H4。對傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)分析有望革新ECO2R系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并加速其工業(yè)部署。

綜上，作者針對電催化二氧化碳還原（ECO2R）技術(shù)在工業(yè)化進(jìn)程中因傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)緩慢而導(dǎo)致的高產(chǎn)物選擇性與高CO2轉(zhuǎn)化率難以兼得的核心瓶頸，提出了一種創(chuàng)新的高擴(kuò)散通量氣體擴(kuò)散電極（HDF-GDE）策略。

傳統(tǒng)碳紙GDE（CP-GDE）中惰性基底阻礙了反應(yīng)物和產(chǎn)物的高效傳輸，而HDF-GDE通過摒棄該基底，僅由催化劑、疏水性PTFE和嵌入其中的不銹鋼網(wǎng)骨架構(gòu)成，使CO2能夠直接接觸催化劑活性位點(diǎn)，從而極大加速了整個(gè)系統(tǒng)的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)。

研究團(tuán)隊(duì)以具有階梯表面的銀（SS-Ag）納米顆粒為模型催化劑，在無堿金屬陽離子（純水進(jìn)料）的MEA體系中驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性。

結(jié)果表明，HDF-GDE不僅將ECO2R制CO的電流密度從150 mA/cm2大幅提升至400 mA/cm2，同時(shí)保持了約90%的高法拉第效率，且CO2轉(zhuǎn)化率顯著提高。

更重要的是，該策略成功實(shí)現(xiàn)了千瓦級的系統(tǒng)放大，裝配有HDF-GDE的電堆在超過1000小時(shí)的長期運(yùn)行中表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性，分別以1.29 kW和1.95 kW的功率高效生產(chǎn)了144 kg CO和17 kg C2H4，其CO2單程轉(zhuǎn)化率分別高達(dá)81%和較基準(zhǔn)提升約15倍。

經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)一步證實(shí)，該無堿金屬陽離子HDF-GDE系統(tǒng)在大規(guī)模生產(chǎn)CO方面已具備經(jīng)濟(jì)可行性，其成本低于市場價(jià)格，凸顯了其巨大的工業(yè)應(yīng)用潛力。

Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer.

Nat. Commun.

（來源：材料化學(xué)動(dòng)態(tài)版權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）