构建双质量传输路径策略：实现高效碳酸氢盐电解的低电压CO2还原反应

针对碳酸氢盐电解体系中高电压和低法拉第效率的难题，研究人员创新性提出双质量传输路径策略，通过优化碳载体和阴离子交换离聚物(AEI)构建CO2与离子的独立传输通道。该研究在100 mA cm?2电流密度下实现57%的CO法拉第效率(FECO)和3.17 V的低槽电压，为直接利用工业废气进行电催化碳中和技术提供新思路。

　　

随着全球碳中和目标的推进，电化学CO₂还原反应(CO₂RR)技术成为将温室气体转化为高附加值化学品的重要途径。传统的气相CO₂RR系统虽已取得进展，但需要高纯度CO₂气体作为原料，而工业废气中CO₂浓度低且含杂质，直接利用面临挑战。更关键的是，从捕获液体中再生CO₂需消耗大量能量，严重制约系统经济性。近年来兴起的碳酸氢盐直接电解技术虽能绕过CO₂再生步骤，却因质量传输限制导致槽电压过高、法拉第效率(FE)低下，成为工业化应用的瓶颈问题。

针对这一难题，研究人员在《Journal of Energy Chemistry》发表创新研究，提出"双质量传输路径"策略。通过系统优化多孔隔膜（interposer）材料和电极组成，首次在碳酸氢盐电解体系中实现与气相系统相当的3.17 V低槽电压，同时保持57%的CO选择性。该工作不仅通过原位显微技术和微CT成像揭示了CO₂与离子的传输机制，更突破性地证明该系统可直接处理含氧工业废气，为碳捕集与利用(CCU)技术提供了全新解决方案。

研究团队采用三大关键技术：1）定制化膜电极组件(MEA)电解槽，集成不同孔隙特性的隔膜材料；2）开发Ag-C-AEI复合电极，通过调控碳黑与阴离子交换离聚物(AEI)比例构建分级孔道；3）结合原位光学显微镜和同步辐射微CT实现反应过程三维可视化。这些方法为阐明质量传输机制提供了直接证据。

【优化隔膜与催化剂】
比较纤维组织、混合纤维素酯(MCE)和醋酸纤维素(CA)三种隔膜发现，大孔纤维组织因允许CO₂渗透而表现最优。当碳载量达1 mg cm^?2时，Ag-C-AEI电极在200 mA cm^?2仍保持高FE_CO，证实碳载体对质量传输的关键作用。XPS分析显示AEI能促进离子传导，而Nafion离聚物因阳离子选择性导致性能下降。

【电解过程可视化】
独创的透明电解槽显微观测显示，组织隔膜处可见剧烈CO₂气泡形成，而MCE隔膜则无此现象。微CT成像捕捉到反应时电极孔隙被电解质浸润的动态过程，解释高电流密度下FE_CO下降的原因——碳材料亲水性转变导致CO₂传输路径阻塞。

【工业废气适应性】
突破性实验证明，无论是10%低浓度CO₂还是含5%氧气的混合气，系统性能与纯CO₂条件相当。这一发现使该系统可直接处理电厂烟气等工业废气，省去昂贵的气体纯化步骤。

【稳定性挑战与改进】
30小时持续运行测试暴露碳材料稳定性缺陷：FE_CO从61.4%骤降至16.7%，接触角从90°降至67°。改用PTFE增强的Ag-PTFE/AEI电极后，虽初始性能略降但稳定性显著提升，证实疏水性对维持双路径平衡的决定性作用。

该研究开创性地提出"双质量传输路径"设计原则，通过物理隔离CO₂与离子传输通道，成功将碳酸氢盐电解电压降至与气相系统相当水平。特别是提出的"原位再生CO₂(i-CO₂)"概念，使系统可直接利用各类工业废气，大幅降低碳捕集成本。尽管碳材料稳定性仍是产业化障碍，但采用PTFE等工程塑料的改进方案已展现曙光。这项工作不仅为电化学碳中和技术提供新范式，其揭示的质量传输机制对燃料电池、水电解等领域也具有重要借鉴意义。