太原理工大学在酸性电催化CO₂还原领域取得新进展:离子限域策略实现高选择性与超长稳定性
- 2026-05-15 15:25:02
近日，太原理工大学化学与化工学院李晋平教授、赵强教授与钟达忠副教授团队，在酸性电催化二氧化碳还原（CO₂RR）研究中取得重要突破。研究团队提出了一种“离子限域”新策略，通过固态电解质对界面离子进行调控，系统揭示了不同阴、阳离子对酸性CO₂RR反应行为的影响机制，同时有效缓解了酸性膜电极体系中普遍存在的碳酸盐沉积问题。
研究结果表明，在纯酸条件下，该体系可实现98.4%的CO法拉第效率；在仅含微量碱金属离子的情况下，体系连续稳定运行时间达到460小时。相关成果以《Achieving High Selectivity and Stability in Electrocatalytic CO2 Reduction in Acidic Media via Ion Confinement》为题，于2026年5月12日发表于Angewandte Chemie International Edition。
电化学CO₂还原技术被认为是实现碳资源循环利用的重要路径，可借助可再生电能将CO₂转化为燃料或高附加值化学品。近年来，基于阳离子交换膜的酸性CO₂RR体系因具备CO₂原位循环利用能力而受到广泛关注。
不过，在强酸环境中，大量质子会显著促进析氢反应（HER），从而压制CO₂还原过程。尽管引入碱金属阳离子能够提升CO₂RR活性，但较高浓度的碱金属离子又容易诱发碳酸盐或碳酸氢盐沉积，尤其在膜电极组件（MEA）中会导致通道堵塞与性能衰减。
此外，现有研究大多聚焦于阳离子作用，而对阴离子以及离子聚合物结构的影响缺乏系统认识，这也限制了高效稳定反应界面的设计。
针对上述问题，研究团队提出了一种基于固态电解质的离子限域策略。与传统表面修饰方法不同，该策略无需对催化剂进行复杂改性，而是通过离子交换树脂调节局部反应环境，实现对界面离子的精准控制。
图1. 离子限域策略示意图以及各固态电解质结构和性能对比
研究发现：
能够吸附碱金属阳离子的S⁻–X⁺型树脂（X⁺包括Na⁺、K⁺、Cs⁺）可明显抑制HER，并促进CO₂RR进行；
含有季铵阳离子的N⁺–Y⁻型树脂，即使不额外引入碱金属离子，也能获得超过80%的CO法拉第效率；
更换不同阴离子（Cl⁻、OH⁻、SO₄²⁻）后，CO选择性变化并不明显，说明真正主导反应路径的是阳离子，而非阴离子种类。
这一结果进一步明确了酸性CO₂RR体系中阳离子的关键调控作用。
图2. 不同体系CO2RR性能测试结果
实验结果显示，S⁻–K⁺体系在性能方面表现尤为突出：
氢气法拉第效率从接近100%下降至不足2%；
在50–250 mA cm⁻²电流密度范围内，CO法拉第效率始终维持在90%以上；
即使在纯水体系中，100 mA cm⁻²条件下FECO仍达到95.8%。
除了银基催化剂，该策略同样适用于铜催化剂体系。在400 mA cm⁻²条件下，乙烯法拉第效率超过42%，说明该方法对促进C–C偶联反应同样有效，具备较好的通用性。
在能量效率方面：
纯水体系最高能量效率达到35%；
酸性体系则进一步提升至43.5%。
图3. 结合计算模拟及电化学表征分析反应机理
结合有限元模拟与DFT计算，研究团队进一步揭示了该策略的作用机制：
固定化阳离子层能够显著降低电极表面的H⁺浓度，从而抑制HER；
K⁺可增强CO₂在银表面的吸附能力，有利于CO₂RR中间体形成；
电化学测试中观察到明显的质子传输限制现象，也进一步验证了局部质子供应受到抑制。
这些结果共同表明，离子限域策略本质上是通过重构界面微环境，实现对反应路径的精准调控。
图4. 稳定性测试结果及文献对比
在稳定性方面，该工作同样取得显著突破。
研究发现：
在含0.02 M K₂SO₄的酸性电解液中，S⁻–K⁺体系连续运行13小时后，FECO衰减不足5%；
使用更稳定的N⁺–Cl⁻树脂后，纯酸体系稳定运行时间提升至150小时；
当阳极液中仅加入1 mM K₂SO₄时，体系稳定性进一步提升至460小时，FECO衰减低于4%。
这一表现已经超过当前多数已报道的酸性CO₂RR体系。
该研究通过离子限域策略，实现了酸性CO₂电还原体系中高选择性与长寿命的兼顾，同时有效避免了传统体系中的盐析问题。研究还明确指出，决定CO₂RR性能的关键因素主要来自阳离子调控，而非阴离子类型。
这一成果为未来高性能酸性CO₂RR体系设计提供了新的思路。后续研究若能进一步提升限域体系中的阳离子密度与结构稳定性，有望推动该技术向工业级大电流应用迈进。
