无碳银气体扩散电极中电解质侵入调控提升电化学CO2还原性能研究

为解决CO2电化学还原（CO2R）中气体扩散电极（GDE）的电解质侵入与分布难题，研究人员通过调控电极厚度、PTFE含量和气压差等参数，结合实验与模型揭示了电解质侵入行为对局部反应环境的调控机制。研究发现，优化后的电极在200 mA cm?2电流密度下CO法拉第效率（FECO）提升至42%，为高性能碳自由GDE设计提供了理论指导。

　　

随着全球碳中和目标的推进，电化学CO₂还原（CO₂R）技术因其能将温室气体转化为高附加值化学品而备受关注。然而，该技术在实际应用中面临核心挑战：传统碳基气体扩散电极（GDE）易因电解质侵入导致性能衰减，而碳自由电极虽稳定性更优，却存在CO₂传质受限、局部pH骤升等问题。如何精准调控电极内部的电解质分布，成为突破性能瓶颈的关键。

针对这一难题，国内某研究团队在《Journal of CO2 Utilization》发表了关于无碳银GDE电解质侵入调控的研究。他们通过系统设计电极厚度（200–390 μm）、PTFE含量（1–3 wt%）和气压差（20–100 mbar），结合实验表征与物理化学模型，首次揭示了电解质侵入深度与气体/液体界面面积的协同作用机制。研究发现，降低PTFE含量至1 wt%可减少催化剂表面覆盖，而100 mbar气压差能扩大气液界面，使CO₂还原活性区域增加50%。优化后的电极在200 mA cm^?2下实现42%的FE_CO，较基准提升20%。

关键技术方法
研究采用湿法喷涂制备多孔银电极，通过控制喷涂层数（50–110层）调节厚度。采用流动电解池测试极化曲线和FE_CO，结合电化学阻抗谱分析界面特性。建立的一维模型整合了CO₂溶解、碳化反应动力学及离子传输过程，通过参数优化反演电解质侵入状态。

电极厚度的影响
薄电极（200 μm）展现更优性能：相比390 μm电极，其CO₂传输距离缩短，局部pH降低1个单位，碳效率（CE）从43%提升至52%。模型显示厚电极中部存在“死区”，90%电流密度集中于靠近气液界面的30%区域。

气压差的调控作用
气压从20 mbar增至100 mbar时，电解质侵入深度增加28%，气液界面面积扩大2倍。高压条件使CO₂浓度峰值区域向电极内部延伸，FE_CO在200 mA cm^?2下提升25%。但过高气压（>100 mbar）会导致电解质穿透电极。

PTFE含量的优化
PTFE从3 wt%降至1 wt%时，电化学活性表面积（ECSA）增加36%，但完全去除PTFE会导致电极被电解质完全淹没。3 wt% PTFE电极中62%的孔隙被覆盖，而1 wt%样品形成更开放的多孔结构。

结论与意义
该研究阐明了“电解质侵入-局部环境-反应选择性”的构效关系，提出“短传输距离+大气液界面”的设计准则。所建立的模型可预测不同工况下的电极行为，为GDE的标准化设计提供工具。未来通过引入梯度孔隙结构或微流道设计，有望进一步突破电流密度限制。这项工作不仅推动了CO₂R电极工程的发展，也为其他气-液-固三相反应体系（如燃料电池、水电解）提供了借鉴。