深圳理工大学/华中科技大学/中国科学院深圳先进技术研究院,最新Nature Communications!

电化学还原 CO₂（ECR）将温室气体转化为高价值化学品和燃料，是实现绿色电力高效利用与碳循环闭环的核心技术之一。膜电极组件（MEA）电解池凭借零间隙结构，大幅降低欧姆电阻、提升传质效率，为 ECR 技术规模化奠定了基础。然而，现有高性能 MEA 系统普遍依赖 KHCO₃、KOH 等电解质添加剂，这些添加剂虽能优化反应微环境，却引发盐沉淀、产物分离复杂等问题，增加了系统复杂度与维护成本。

纯水进料的 MEA 电解池被认为是突破上述瓶颈的理想方案，但面临两大关键挑战：一是纯水中缺乏碱阳离子，导致 CO₂活化不足、反应动力学迟缓，目标产物选择性降低；二是纯水离子电导率仅为 0.055 μS・cm^-1，远低于常规电解质，引发系统电阻激增、能量效率下滑。此外，阴离子交换膜（AEM）基纯水 MEA 中，阴极催化层（CL）与膜之间因结构不匹配易形成空隙，严重阻碍 H₂O 和 OH^-的界面传质，进一步制约电解性能。因此，开发兼具高效传质与优化微环境的电极界面，成为纯水体系 ECR 技术实用化的关键突破口。

深圳理工大学张小龙、华中科技大学钱立华、中国科学院深圳先进技术研究院夏霖团队合作在《Nature Communications》期刊发表题为“Permeable intimate membrane electrode interface with optimized micro-environment for CO2 electroreduction in pure water”的研究论文，华中科技大学/深圳理工大学Zheng Zhilong、中科院深圳先进院Bi Songhu为论文共同第一作者，张小龙、钱立华、夏霖为论文共同通讯作者。

1.创新电极结构设计：提出渗透型致密膜（PIM）电极策略，通过原位浇铸离聚物乳液在催化层表面形成阴离子交换层（AEL），构建无空隙的 CL/AEL 紧密界面，同时离聚物渗透至催化层内部，形成连续的 H₂O/OH^-传质通道，从根源上解决传统电极界面接触不良与传质受限问题。

2.卓越电解性能表现：在纯水体系中，PIM-Q 电极（采用 QAPPT 离聚物）在 50-400 mA・cm^-2宽电流密度范围内 CO 法拉第效率（FE_CO）稳定超过 90%，最高达 94.2%；系统能量效率（EE）较传统催化剂涂覆基底（CCS）电极提升 1.35 倍，且在 3.2 A 大电流下实现 200 小时稳定运行，FE_CO 仍保持 80% 以上。

3.普适性与经济性兼具：PIM 策略适用于不同粒径 Ag 纳米颗粒及 Bi 颗粒催化剂，且在碱性、中性、酸性等多种电解质环境中均表现出优异性能；技术经济分析显示，其 CO 生产成本低至 463.40 美元 / 吨，远低于传统 CCS 电极（583.99 美元 / 吨），具备工业化应用潜力。

4.深入揭示反应机理：通过原位 ATR-SEIRAS、电化学阻抗谱（EIS）结合弛豫时间分布（DRT）分析，以及分子动力学（MD）模拟与密度泛函理论（DFT）计算，证实 PIM 电极可重构界面氢键水网络，提高强氢键水（sh-H₂O）比例，既促进 CO₂活化与 * COO⁻中间体质子化，又抑制竞争反应析氢（HER），从微观层面阐明了性能提升的本质。

图1：传统 MEA 与 PIM-MEA 结构及传质行为对比

图2：PIM-Q 电极结构表征

图3：PIM 电极 ECR 性能评估

图4：ECR 动力学分析

图5：原位 ATR-SEIRAS 表征界面微环境

图6：MD 模拟与 DFT 计算机理验证

该研究针对纯水进料 AEM-MEA 的界面传质瓶颈与反应微环境优化难题，提出了渗透型致密膜（PIM）电极设计策略。通过原位浇铸 QAPPT 离聚物乳液，构建了催化层与阴离子交换层紧密结合的无空隙界面，并形成连续的 H₂O/OH^-传质通道，显著提升了界面传质效率。实验与理论研究证实，PIM 电极可重构界面氢键水网络，提高强氢键水比例，既促进 CO₂活化与 * COO^-中间体质子化，又抑制析氢竞争反应，从而在纯水体系中实现了宽电流密度范围内高 CO 选择性、高能量效率与长周期稳定性。

该工作不仅突破了纯水体系 ECR 的性能限制，为无电解质 CO₂电解技术提供了全新的界面工程方案，还揭示了氢键水网络调控 ECR 反应路径的微观机制，为催化剂界面设计提供了理论指导。同时，其优异的规模化稳定性与经济可行性，为 CO₂电还原技术的工业化应用奠定了重要基础。未来研究可进一步拓展该策略在多碳产物合成中的应用，通过优化催化剂结构与界面微环境，突破 C-C 偶联能垒限制。