非等温 CO2电解：同时提升电化学性能与抗沉淀能力的创新策略

为解决 CO2还原系统在高碱性电解液和高电流密度下不稳定、效率低，尤其是阴极盐沉淀的问题，研究人员开展非等温 CO2电解研究。结果表明该策略能增强性能、抑制盐沉淀，降低 CO2转化成本，为其实际应用提供可能。

　　在应对气候变化和能源存储的征程中，将 CO₂转化为燃料的电化学技术成为了备受瞩目的焦点。这一技术宛如一把钥匙，有望打开解决环境与能源双重困境的大门。然而，现实却给这一前景光明的技术泼了冷水。目前，CO₂还原系统存在诸多难题，就像一道道难以跨越的沟壑，阻碍着其大规模应用。在高碱性电解液和高电流密度的严苛条件下，系统的稳定性和效率大打折扣。其中，阴极盐沉淀问题尤为突出，它就像一个捣乱的 “小怪兽”，不仅阻碍了物质传输，还堵住了反应的活性位点，极大地缩短了系统的使用寿命。打个比方，这就好比在一条繁忙的交通要道上，突然出现了一堆障碍物，导致交通堵塞，车辆无法顺畅通行。为了攻克这些难题，来自南方科技大学的研究人员勇敢地迎接挑战，开展了一项关于非等温 CO₂电解的研究。他们另辟蹊径，提出了一种非等温策略，试图打破现有的困境。

研究人员通过巧妙地在膜电极组件（MEA）上构建温度梯度，让阴极保持较低温度，阳极处于较高温度。这一操作利用了神奇的 Soret 效应，成功地将阳离子从阴极驱赶至阳极，不仅抑制了盐析现象，还提高了阳极的活性和阴极对 CO₂的溶解度。经过不懈努力，他们发现采用这种非等温策略的 CO₂电解装置，在高碱性条件下，以 100 mA cm^-2的电流密度稳定运行了超过 200 小时，远远超过了传统等温系统的表现。而且，技术经济分析显示，该策略还能降低 CO₂转化为 CO 的生产成本，为这一技术的大规模应用提供了有力的支持。这一成果发表在《Nature Communications》上，无疑为该领域的发展注入了一针强心剂。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。他们通过电化学工作站进行各类电化学测量，精确获取实验数据。采用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDS）对电极进行表征，清晰观察电极的微观结构和元素组成。运用在线气相色谱（GC）分析电解产物，准确确定产物的种类和含量。还构建了多物理模型，对离子传输、电荷转移等复杂过程进行模拟，深入理解反应机制。

下面来看具体的研究结果。在 MEA-based CO₂RR 性能预测方面，研究人员利用非等温多物理模型，全面考虑了热传递、质量传递以及电化学和均相反应等因素。他们预测，通过非等温策略，能有效避免盐沉淀，同时提升电化学性能。例如，在特定条件下，将阳极温度设定为 80°C，阴极温度设为 20°C，能量效率可达 50.6%，相比等温 20°C 和 80°C 的情况，性能分别提升了 3.1% 和 32.7%。

在非等温 CO₂R 概念验证中，研究人员分别在 H 型电解槽中对 OER 和 CO₂R 进行实验。结果发现，OER 的性能随温度升高而增强，而 CO₂R 则相反，温度升高会导致性能下降。在 MEA 电解槽中进行的实验进一步验证，非等温操作策略能显著提升性能。如非等温 60°C 时，CO 的部分电流密度相比等温 60°C 提高了 13%，能量效率也得到优化。

抗沉淀性能和长期稳定性测试中，研究人员对比了等温与非等温情况。发现在高电流密度和高碱性条件下，等温系统很快出现盐沉淀导致电解失败，而非等温策略表现出色。以非等温 60°C 为例，运行 13 小时都未出现盐析现象。长期稳定性测试表明，非等温 40°C 的 MEA 电解槽在 100 mA cm^-2的电流密度下，能稳定运行 200 小时，且未观察到盐沉淀现象。

进一步性能改进方面，研究人员探讨了通过调整膜的厚度和热导率来提升性能的方法。增加膜厚度可扩大阳极和阴极的温差，提高 CO 的法拉第效率，但会增加膜的欧姆过电位，降低能量效率。降低膜的热导率也能提升性能，且适当降低热导率可在不改变膜厚度的情况下提高能量效率。技术经济分析显示，非等温 60°C 时，CO 的生产成本为 0.41 kg^-1，且随着电流密度增加、电价降低或膜性能优化，成本还可进一步降低。

综合来看，这项研究提出的非等温策略有效解决了 CO₂电解系统中的关键问题。它既提升了阳极的活性，又增强了阴极的选择性，同时还解决了盐沉淀难题，大大提高了系统的稳定性和效率。这一成果为 CO₂电解技术的实际应用开辟了新道路，让大规模、高效地将 CO₂转化为燃料成为可能，为实现可持续能源发展和应对气候变化提供了强有力的技术支持，在能源和环境领域具有重要的意义。