综述：离子交换膜在CO2电化学还原增值中的应用：关键作用、挑战与创新

这篇综述深入探讨离子交换膜（IEMs）在电化学CO2还原（e-CO2R）中的核心作用，系统比较了阴离子交换膜（AEMs）、阳离子交换膜（CEMs）和双极膜（BPMs）的材料特性与性能优化策略，为开发高效低成本膜材料推动零碳经济提供理论框架。

　　

离子交换膜：CO₂电化学还原的幕后英雄

随着全球CO₂排放量飙升至374亿吨（2024年数据），电化学CO₂还原（e-CO₂R）技术成为实现碳循环经济的关键。这项技术能将CO₂转化为甲酸（HCOOH）、乙烯（C₂H₄）等高附加值化学品，而离子交换膜（IEMs）正是该过程的"智能守门人"，通过精准调控离子传输提升反应效率。

膜材料的"三国演义"

阴离子交换膜（AEMs）在碱性环境中表现亮眼，其核心挑战在于氢氧根（OH^-）传导与化学稳定性的平衡。研究发现，聚砜骨架结合季铵基团的AEMs可实现92.5%的甲酸法拉第效率（FE_HCOOH），但面临碳酸盐渗透的致命弱点。

阳离子交换膜（CEMs）的竞技场在酸性环境，全氟磺酸膜（如Nafion）虽具有优异的质子传导性，但高昂成本促使研究者转向磺化聚醚醚酮（SPEEK）等非氟材料。实验显示，优化后的CEMs在120 mA/cm^-2电流密度下可实现92%的CO选择性（FE_CO）。

双极膜（BPMs）作为"跨界高手"，通过磺酸基-羧酸基层状结构实现水分子解离，能有效分隔酸碱性反应区。但其复杂的界面工程和气泡生成问题仍是规模化应用的"阿喀琉斯之踵"。

性能优化的"四大法宝"

聚合物骨架工程、化学交联、纳米复合材料和低成本制备工艺构成膜材料升级的核心策略。例如，在AEMs中引入咪唑鎓基团可提升碱性稳定性；石墨烯复合CEMs能将质子传导率提高300%；而仿生混合基质膜则展现出突破质量传输限制的潜力。

从实验室到工厂的挑战

当前IEMs面临三重困境：动态工况下的化学降解（如季铵基团霍夫曼消除）、离子渗透导致的产物交叉污染、以及每平方米数千元的制造成本。特别值得注意的是，膜电阻占电解池总阻抗的35-60%，成为制约能量效率提升的关键瓶颈。

未来发展的"北斗七星"

下一代IEMs研发呈现七大趋势：

1. 机器学习辅助的膜材料设计
2. 生物质基可持续膜开发
3. 非对称结构实现局部pH调控
4. 自修复功能延长使用寿命
5. 膜电极一体化（MEA）设计
6. 工业级卷对卷制备工艺
7. 标准化评价体系建立

这场跨越材料化学与电化学的协同创新，正在为碳中和目标铺就绿色通道。正如研究者所言："优化IEMs就像为CO₂分子修建智能高速公路，既要保证运输效率，又要精准控制目的地。"随着新型离子液体膜和金属有机框架（MOFs）复合膜的涌现，e-CO₂R技术向工业化应用又迈进了一步。