研究背景
随着全球气候变化和能源危机的日益严峻，二氧化碳（CO₂）的电化学还原（ECR）技术作为一种既能减少温室气体排放又能生产高附加值化学品和燃料的方法，受到了广泛关注。传统的ECR系统多依赖于碱性或中性水溶液作为电解质，这些添加剂虽然有效提升了离子导电性并优化了局部反应微环境，但也带来了系统复杂性和维护成本的增加，以及盐沉淀和复杂产物分离的挑战。因此，开发以纯水为电解质的膜电极组装（MEA）系统，成为推动ECR技术向实际应用迈进的重要方向。然而，纯水体系中缺乏碱金属阳离子，且离子浓度低，导致系统电阻增加，反应动力学缓慢，成为制约其发展的关键因素。
研究内容
本研究针对纯水体系中ECR反应动力学缓慢的问题，设计并开发了一种渗透亲密膜（PIM）电极界面，通过优化微环境来提升催化反应活性。
PIM电极的制备与表征：
采用直接将离子聚合物乳液浇铸在催化剂层（CL）上形成阴离子交换层（AEL）的方法，构建了PIM电极（如PIM-Q、PIM-P、PIM-S），实现了CL与AEL之间的紧密结合。
扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析显示，PIM-Q电极表面平整，AEL厚度均匀（约25.6 μm），且CL与AEL之间无间隙，界面接触良好。
ECR性能评估：
在纯水电解质中，PIM-Q电极在100 mA cm⁻²的电流密度下实现了94.2% ± 1.12%的CO法拉第效率（FE CO），并在50至400 mA cm⁻²的宽电流密度范围内保持了超过90%的FE CO。即使在500 mA cm⁻²的高电流密度下，PIM-Q电极仍能达到84.4% ± 1.3%的FE CO。
相较于传统CCS电极，PIM-Q电极在相同条件下展现出更低的槽电压（如50 mA cm⁻²时为2.93 V vs. 3.71 V），且能量效率（EE）提升了1.35倍，达到43.0% ± 1.6%（25°C，50 mA cm⁻²）。
催化反应活性提升机制：
电化学阻抗谱（EIS）和弛豫时间分布（DRT）分析表明，PIM-Q电极显著降低了CO₂质量传输阻力（P1峰面积减少49.3%），并加速了ECR电荷转移和物质传输动力学。
原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）研究揭示，PIM-Q电极重构了界面水的氢键网络，增加了强氢键水（sh-H₂O）的比例（62.6%），减少了孤立水（i-H₂O）的比例（2.8%），从而促进了COO⁻中间体向COOH的质子化步骤，降低了反应能垒（DFT计算显示，sh-H₂O环境下CO₂到COOH的能垒为0.96 eV，低于i-H₂O环境的1.30 eV）。
工作创新点
PIM电极界面设计：
首次提出并实现了PIM电极界面，通过浇铸离子聚合物乳液直接在催化剂层上形成AEL，构建了紧密的CL/AEL界面，解决了传统MEA中CL与膜之间界面接触不良的问题。
内部连续通道构建：
PIM电极设计允许离子聚合物渗透到CL内部，形成连续的内部通道，显著提高了H₂O和OH⁻的传输效率，降低了系统电阻。
界面微环境优化：
通过重构界面水的氢键网络，PIM电极增加了sh-H₂O的比例，为ECR反应提供了更适宜的质子供体环境，加速了关键中间体的质子化步骤，从而提高了催化反应活性和选择性。
广泛的适用性：
PIM策略不仅限于Ag基催化剂，还适用于不同尺寸的Ag纳米颗粒和Bi颗粒，展现出良好的通用性和可扩展性。
原文信息
Zheng, Z., Bi, S., Zhou, X. et al. Permeable intimate membrane electrode interface with optimized micro-environment for CO2 electroreduction in pure water. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69259-6
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