综述：通过氧还原反应电合成H2O2的催化剂设计进展

这篇综述系统阐述了离子交换膜（IEMs）在电化学CO2还原（e-CO2R）中的关键作用，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碳中和目标提供了重要指导。

　　

引言

全球持续增长的CO₂排放已导致气候危机加剧，2024年全球碳排放量达374亿吨，按此趋势地球温度将在6年内上升1.5°C。电化学CO₂还原（e-CO₂R）技术可将CO₂转化为甲酸（HCOOH）、一氧化碳（CO）等高附加值化学品，是实现碳循环经济的关键。研究表明，通过掺杂铈/硫的氧化铋纳米片可实现92.5%的甲酸法拉第效率（FE_HCOOH），而CuS修饰的1T金属相N-WS₂/WO₃纳米杂化物在-1.3V vs RHE下FE_HCOOH达55.6%。

离子交换膜的分类与功能

离子交换膜（IEMs）作为e-CO₂R的核心组件，通过选择性离子传导维持电荷平衡并抑制副反应。主要分为三类：

1. 阴离子交换膜（AEMs）：采用聚砜、聚芳醚等聚合物骨架，季铵盐或咪唑鎓功能基团可提升氢氧根传导率，但存在碳酸盐渗透和碱性稳定性问题；
2. 阳离子交换膜（CEMs）：全氟化（如Nafion）与非氟化（如磺化聚醚醚酮）材料对比显示，前者质子传导效率高但成本昂贵；
3. 双极膜（BPMs）：通过磺酸-羧酸盐界面层设计调控水解离动力学，但面临复杂制备工艺挑战。

性能评价与挑战

关键性能指标包括离子电导率（>100 mS/cm）、选择透过性（>90%）和化学稳定性。当前限制因素包括：

• AEMs在碱性环境中易发生霍夫曼消除反应；
• CEMs存在阳离子交叉导致pH梯度失衡；
• BPMs界面处气泡积聚会增大电阻。动态操作中，膜材料的降解会使CO₂R总阻抗增加30%以上。

未来发展方向

突破路径包括：

1. 开发复合基质膜与生物启发膜材料，结合共价有机框架（COFs）提升机械强度；
2. 采用低成本的生物质衍生材料如壳聚糖改性膜；
3. 建立标准化测试协议以横向比较不同膜材料在工业级电流密度（>200 mA/cm²）下的长期稳定性。

结论

IEMs的优化需协同解决材料成本、传导效率与耐久性问题，为e-CO₂R技术从实验室走向规模化应用提供关键支撑。