抗溢流镍泡沫基气体扩散电极设计提升MEA型CO2 电解器性能与稳定性

本文针对膜电极组装（MEA）型CO2 电解器中气体扩散电极（GDE）溢流导致性能下降的难题，创新性地设计了一种含宏通道的镍泡沫（NF）基GDE。研究表明，该电极通过增强CO2 传质和电解质排出能力，实现了273.5 mA/cm2 的CO电流密度和88.4%的法拉第效率（FECO ），并保持50小时稳定运行，为工业化CO2 电还原技术提供了新思路。

　　

随着全球气候危机加剧，将二氧化碳（CO₂
）转化为高附加值化学品的电催化还原技术（CO₂
RR）成为研究热点。然而，在膜电极组装（MEA）型电解器中，气体扩散电极（GDE）的溢流问题严重制约其工业化应用——电解质渗透会导致CO₂
传输受阻，引发氢析出反应（HER）竞争性增强，最终造成电极性能急剧衰减。传统碳纸基GDE虽通过微孔层（MPL）和疏水处理缓解溢流，但仍难以平衡导电性、气体渗透率与长期稳定性之间的矛盾。

针对这一挑战，研究人员创新性地采用镍泡沫（NF）作为GDE基底材料，通过构建宏通道结构（直径50-100 μm）开发出抗溢流电极（Ma-NF GDE）。该设计充分利用NF的高导电性（344.4 S/m）和开放孔隙特性，使CO₂
能直达催化剂层（CL），同时促进电解质排出。实验表明，Ma-NF GDE的湿气体渗透率（11.4 cm³
/cm²
·s·kPa）是传统碳纸电极的3倍，在400 mA/cm²
电流密度下CO电流密度（j_CO
）达273.5 mA/cm²
，较平滑表面的NF电极（Sm-NF）提升69.5%。更值得注意的是，其在200 mA/cm²
下连续运行50小时后，仍保持88.4%的FE_CO
，而对比组电极（Mi-CP、Cr-CP）的FE_CO
在25小时内即衰减至30%以下。

研究团队通过扫描电镜（SEM）、电化学阻抗谱（EIS）和原位气体渗透测试等关键技术，系统评估了电极结构-性能关系。其中，宏通道的存在使电荷转移电阻（R_CT
）降低至碳纸电极的1/5，而接触角测试证实运行后Ma-NF的疏水性（129°）几乎未衰减，印证了其抗溢流机制。X射线光电子能谱（XPS）分析排除了催化剂失活对性能衰退的影响，将稳定性差异归因于电极结构设计的本质区别。

研究结论部分强调，这种宏通道GDE设计突破了传统"被动防溢流"思路，通过主动建立CO₂
/电解质双传输路径，实现了反应物供给与产物排出的动态平衡。该成果发表于《Journal of CO₂
Utilization》，不仅为MEA型电解器提供了可量产的电极方案，更开创了通过三维结构工程解决电化学系统传质瓶颈的新范式。未来通过优化宏通道分布密度与催化剂负载的协同效应，有望进一步将CO₂
RR推向工业级应用。