银基集成气体扩散电极优化三相界面实现高效电化学CO2还原

针对电化学CO2还原（ECR）中三相界面不稳定和电极 flooding 问题，研究人员开发了一种基于PTFE/导电碳粉的集成气体扩散层（IGDL），通过混合溶剂渗透策略负载Ag催化剂。该Ag-IGDL(W1I1)电极在100-600 mA·cm?2电流密度下保持95%以上的CO法拉第效率（FECO），稳定性提升20倍，Ag质量活性达7.04 A·mg?1，为高电流密度ECR提供了新解决方案。

　　

论文解读

背景与挑战
电化学CO₂还原（ECR）作为碳中和关键技术，可将CO₂转化为燃料和化学品，但高电流密度下的长期稳定性和选择性仍是瓶颈。传统气体扩散电极（GDE）因三相界面（固-液-气）失衡导致的 flooding（电解液渗透）和碳酸盐堵塞问题，严重制约性能。尽管通过疏水改性（如PTFE涂层）或催化剂优化可部分缓解，但导电性与疏水性难以兼顾，电流密度常低于100 mA·cm^?2。

研究设计与创新
中国科学院深圳先进技术研究院团队提出了一种集成气体扩散层（IGDL）结构，以PTFE和导电碳粉构建三维疏水导电网络，并通过混合溶剂渗透法负载Ag催化剂，形成一体化GDE（Ag-IGDL(W₁I₁)）。该设计通过优化三相界面分布，同时解决 flooding 和电子传输问题。

关键技术方法

1. 干法制膜工艺：制备PTFE/导电碳粉复合的IGDL，形成均匀多孔结构；
2. 混合溶剂渗透策略：将AgNO₃前驱体引入IGDL，实现催化剂三维分散；
3. 疏水性调控：通过接触角（139°）和机械强度测试验证结构稳定性；
4. 电化学性能测试：在流动池中评估FE_CO、质量活性和长期稳定性。

研究结果

1. 结构表征：IGDL的截面和平面扫描显示其致密均匀，PTFE与碳粉形成连续导电网络（图2a-b）；
2. 性能优势：
   • 宽电流高效：在100-600 mA·cm^?2范围内FE_CO>95%；
   • 超高稳定性：运行时间较传统层状GDE提升20倍；
   • 质量活性突破：Ag利用率达7.04 A·mg^?1，FE_CO>90%；
3. 机制分析：三维疏水网络抑制 flooding，均匀孔道促进CO₂传输，Ag分散提升活性位点暴露。

结论与意义
Ag-IGDL(W₁I₁)通过结构创新实现了ECR性能的全面提升：

• 工程价值：为高电流密度ECR设备设计提供了新思路；
• 科学意义：揭示了三相界面三维分布对稳定性的关键作用；
• 应用前景：该集成化设计可拓展至其他催化体系，推动CO₂资源化技术发展。

论文发表于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》，通讯作者为Xiaolong Zhang（张小龙），第一作者为Yingjun Dong（董英军）。