纳米气泡增强型电解质：突破液态CO2电还原传质瓶颈的创新策略

本研究针对液态CO2电还原反应（CO2RR）中CO2溶解度低、传质效率差的核心难题，创新性地提出纳米气泡注入电解质策略。通过纳米气泡的局部CO2富集、微对流效应和高效气液传质特性，实现体积传质系数提升10倍、极限电流密度增加42.3%，并在零间隙电解槽中进一步优化扩散介质获得28%性能提升。该研究为工业级CO2转化技术提供了普适性解决方案。

　　

研究背景与挑战

全球碳中和背景下，电化学二氧化碳还原（CO₂RR）技术将温室气体转化为高附加值化学品，成为可持续发展的重要路径。然而液态体系中CO₂的固有缺陷——常温下水溶液溶解度仅33 mM、扩散速率缓慢，导致高电流密度下电极表面形成CO₂耗尽区，引发浓度过电位上升和副反应（如析氢反应HER）加剧。传统解决方案如高压操作（9.5 bar下电流密度提升13倍）或低温条件（0°C时溶解度翻倍）存在设备复杂、催化活性降低等新问题，亟需开发兼顾高效传质与系统稳定性的创新策略。

技术突破与研究方法

研究团队通过物理空化法批量制备直径100-200 nm的CO₂纳米气泡（浓度达1×10⁸ particles/mL），结合纳米粒子追踪分析（NTA）和动态光散射（DLS）表征其稳定性（7天后仍保持3.2×10⁷ particles/mL）。采用两种电化学体系验证性能：1）三电极H型电解池测试基础参数；2）零间隙液态电解槽（配备亲水/疏水扩散介质DM）模拟工业条件。通过多物理场模型量化纳米气泡对传质系数（K_La提升10倍至5.39 h^-1）和缓冲容量（峰值达3.96 mmol pH^-1）的增强机制。

核心发现与机制解析

纳米气泡特性表征

纳米气泡注入使电解质pH更快降至6.67（常规饱和CO₂为6.82），对应溶解CO₂浓度提升41%至47.8 mM。滴定实验显示其缓冲容量比常规体系提高35.6%，有效中和电极表面OH^-积累。

H型电解池性能

在1.5 V vs. RHE电位下，纳米气泡体系总电流密度达38.8 mA cm^-2（提升39%），CO极限电流密度21.2 mA cm^-2（提升42.3%）。模型揭示纳米气泡通过三种机制协同作用：①作为局部CO₂储库增加有效溶解度；②高比表面积加速气液传质；③诱导微对流打破扩散层限制。

零间隙电解槽优化

亲水DM（接触角63°）较疏水DM（145°）使极限电流密度再提升28%至34.6 mA cm^-2，但水饱和度过高（S_L>0.9）导致CO法拉第效率降至63.2%。采用高选择性NiPC-OMe分子催化剂后，在2.5V下实现98.9% CO选择性，验证该策略的催化剂普适性。

研究启示与展望

该工作通过纳米气泡与电解槽工程的协同设计，突破了液态CO₂RR的传质天花板。其创新性体现在：1）建立纳米气泡浓度-传质系数的定量关系；2）揭示亲水DM对纳米气泡传输的关键作用；3）验证技术对银基/分子催化剂体系的通用性。这种不依赖催化剂改性的传质增强方案，可拓展至氮气还原（NRR）等依赖气液传质的电催化体系，为规模化碳中和技术提供新范式。论文发表于《Communications Chemistry》凸显其在交叉化学领域的突破价值。