逆转电渗流实现CO电还原制醇的高效规模化生产：膜组装与多级冷凝策略的创新应用

为解决CO2/CO电解制醇过程中产物选择性低、交叉污染及浓度稀释等问题，多伦多大学团队通过构建阳离子交换膜（CEM）电解器，逆转电渗流方向，实现85%以上醇类产物的阴极侧富集（浓度达6 wt.%），并开发多级冷凝技术避免稀释。该研究将电解器规模扩大至800 cm2，日产醇类200 mL，为工业级低碳醇生产提供了可行方案，发表于《Nature Communications》。

　　

全球能源转型背景下，将CO₂电化学转化为高值化学品是缓解碳排放与化石燃料依赖的关键路径。乙醇（EtOH）和正丙醇（PrOH）因其能量密度与市场需求成为理想产物，但现有电解技术面临两大瓶颈：一是传统阴离子交换膜（AEM）电解器中80%醇类产物因电渗流（electroosmotic drag）跨膜流失至阳极液，二是冷阱收集导致产物浓度低于1%，分离能耗远超产物能量价值。如何实现高浓度、低能耗的规模化生产成为领域内亟待突破的难题。

多伦多大学团队在《Nature Communications》发表研究，提出通过逆转电渗流方向的创新策略。研究人员设计阳离子交换膜（CEM）电解器，采用厚Nafion 1110膜（254 μm）抑制醇类扩散，并利用多级冷凝系统实现产物高效富集。实验表明，CEM电解器在200 mA/cm²电流密度下醇类法拉第效率（FE）达35%，阴极侧回收率超85%，浓度提升至6 wt.%。通过Aspen Plus模拟优化，团队开发三级冷凝系统（20°C→10°C→-78°C），使50 cm²电解器的醇类浓度提升至48 wt.%，回收率达95%。最终将电解器规模扩大至800 cm²，实现日产200 mL醇类的稳定运行（100小时），为目前最大规模的CO电还原（COR）单电池系统。

关键技术包括：1）高聚四氟乙烯（PTFE）含量气体扩散层（GDL）制备防止阴极 flooding；2）电化学阻抗谱（EIS）分析膜电阻；3）质子核磁共振（¹H NMR）定量液相产物；4）气相色谱（GC-FID/TCD）检测气体组分；5）Aspen Plus模拟冷凝器效率。

酒精生产与交叉污染研究
对比AEM与CEM电解器发现，CEM的阴极侧高碱度环境（OH^-富集）抑制析氢反应（HER），醇类FE提升至35%（AEM仅24%）。电渗流方向逆转使CEM阴极醇保留率超85%，而AEM仅16%。

1 cm²电解器优化
升高温度（20→50°C）虽不影响FE，但阴极醇浓度因膜吸水增加而降低。提高CO流速（10→50 sccm）使醇浓度翻倍至6 wt.%，归因于对流强化传质。

50 cm²高回收率放大
单冷凝器导致30%醇类损失，模拟显示需二级冷凝（-78°C）实现95%回收。实验验证两级系统使总FE达98%，醇浓度提升至48 wt.%。

800 cm²示范
三级冷凝（20°C→10°C→-78°C）解决大尺寸电解器水传输问题，虽因压力分布不均导致醇回收率降至65%，但仍实现日产200 mL（EtOH 96 mL/day，PrOH 84 mL/day）。5 cm²电解器100小时稳定性测试显示FE与浓度无衰减。

该研究通过膜设计与分离工程创新，解决了醇类电合成规模化核心难题。CEM电解器结合多级冷凝的策略，将产物浓度提升近两个数量级，且系统能耗降低（电压2.58 V vs. 传统多膜体系>3 V）。800 cm²电解器的成功运行为工业级COR系统提供了首个可行性验证，推动低碳燃料生产从实验室走向实际应用。未来需进一步优化流场压力分布以提升大尺寸电解器回收率，并探索催化剂稳定性增强路径。