碱性条件下基于隔膜的电解槽实现高效一氧化碳电还原制备多碳化合物

为解决阴离子交换膜（AEM）在CO电解过程中因有机中间体侵蚀而降解的问题，研究人员开展隔膜材料替代研究，发现Zirfon隔膜在碱性CO电解中性能优异，在宽电流密度范围（50–400 mA cm?2）和高温（60°C）条件下实现长达700小时稳定运行，C2+产物法拉第效率达80%，为低成本、高耐久性CO电解系统开发提供新路径。

　　

将废弃碳资源转化为高附加值燃料和化学品是实现可持续制造的关键步骤。其中，一氧化碳（CO）电化学还原制备富含能量的多碳化合物（C₂₊）是一条极具前景的技术路线。然而，现有CO电解槽普遍依赖阴离子交换膜（AEM, Anion Exchange Membrane）作为离子传导与产物分离的核心组件，这类膜材料在长期接触醇、醛等有机中间体时易发生化学降解，严重制约了电解槽的寿命与实际应用潜力。此外，AEM成本较高，也成为规模化应用的障碍之一。因此，开发兼具高稳定性、低成本的替代性隔膜材料，成为推动CO电解技术走向产业化亟待解决的核心问题。

在这一背景下，研究人员注意到碱性水电解（AWE）中广泛使用的隔膜材料。这类隔膜通常由无机材料（如氧化锆增强石棉或聚砜复合材料）构成，成本低廉且在强碱环境中表现出优异的化学稳定性。受此启发，研究团队系统评估了多种商用隔膜在CO电解过程中的性能，试图为替代AEM提供可行方案。相关研究成果已于2025年9月26日在线发表于《Nature Communications》。

为开展本研究，团队设计并构建了零极距CO电解槽，使用载铜纳米颗粒（40–60 nm）的气体扩散电极作为阴极，NiFeO_x/Ni泡沫作为阳极，系统比较了Zirfon、聚醚砜（PES）、尼龙、聚偏氟乙烯（PVDF）及玻璃纤维等多种隔膜材料。关键技术方法包括：采用电化学阻抗谱（EIS）分析膜电阻，扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料稳定性，气相色谱与核磁共振（NMR）定量产物分布，以及气泡点测试评估气体渗透行为。此外，研究还开展了从5 cm²到100 cm²的电解槽放大实验，以验证隔膜在实际应用尺度下的性能。

Diaphragm materials for CO electrolysis

研究发现，除玻璃纤维外，其余隔膜在200 mA cm^?2电流密度下均表现出与商用AEM相当的C₂₊产物法拉第效率（FE），且氢析出反应受到有效抑制。通过SEM和XPS分析证实，Zirfon、PES和尼龙隔膜在连续运行120小时后未出现明显的结构变化或化学降解。

Performance of Zirfon diaphragms

在系统评估三种Zirfon隔膜（220、500和500+）后，团队发现Zirfon 500+因其较高孔隙率（60%）和适中厚度，在1M KOH中表现出较低面积比电阻（ASR）。尽管其膜电阻略高于PiperION AEM，全电池电压反而更低，说明非欧姆组分占电压损失的主导。更重要的是，Zirfon 500+在室温下连续运行700小时仍保持稳定，乙酸和乙烯FE分别维持在50%和30%，而PiperION膜在150小时内即失效。

Zirfon-based CO electrolyzer operated at elevated temperatures

在提升温度（60°C）和KOH浓度（6M）的条件下，Zirfon 500+仍表现出良好的稳定性，持续运行250小时未出现明显性能衰减，且高碱度环境下乙酸选择性显著提高。然而，高浓度碱液也加速铜催化剂溶解，表明在实际应用中需权衡产物选择性与系统耐久性。

Scaling up Zirfon-based CO electrolyzers

研究成功将电解槽活性面积从5 cm²放大至100 cm²。在200 mA cm^?2、室温条件下，Zirfon 500+基电解槽连续运行700小时，乙酸FE稳定在50%左右，全电池电压约2.3 V，累计乙酸产量达16.5 kg，显著优于同类AEM基系统。失效分析表明，长期运行后阴极侧ZrO₂含量下降导致隔膜亲水性降低、气泡点下降，最终引发气体渗透，指向未来需进一步优化隔膜界面稳定性。

本研究充分证明Zirfon隔膜可作为AEM的高性能、低成本替代材料，适用于碱性CO电解。其在宽操作条件范围内展现出优异的C₂₊产物选择性与长期运行稳定性，尤其在高温、高碱度等接近工业应用的场景中表现突出。100 cm²级电解槽的成功运行与高达16.5 kg的乙酸产量，凸显了该技术在规模化碳利用方面的潜力。尽管隔膜在极端条件下仍面临亲水性下降与气体渗透问题，但通过材料优化与系统设计改进，Zirfon基电解槽有望成为推动CO电解走向商业化应用的关键技术平台。