电催化CO2还原（ECO2R）通过将CO2转化为碳中性燃料与化学品，为工业脱碳提供了可持续路径。
尽管催化剂设计已取得进展，但缓慢的传质动力学仍制约着工业化规模应用。
在本文中，作者提出了一种高扩散通量气体扩散电极（HDF-GDE），在无碱阳离子体系中突破该瓶颈，实现了工业电流密度下的CO2转化率。
动力学分析表明，转化效率受传质效率主导而非流速。通过优化GDE结构以最大化CO2扩散效率与电极利用率，本文构建了千瓦级ECO2R系统，其稳定性超过1000小时，并可根据催化剂选择产出CO或C2H4。
在3 L/min CO2流速下，该系统经1000 h运行可产出144 kg CO（1.29 kW）或17 kg C2H4（1.95 kW）。
配备HDF-GDE的无碱阳离子ECO2R体系，在规模化CO/C2H4电合成中展现出经济可行性。
本研究弥合了实验室创新与实际应用之间的鸿沟，推动碳中性化学品制造技术发展。
电催化二氧化碳还原（ECO2R）技术作为连接化石能源与可持续能源的关键技术环节，被认为是工业层面快速削减二氧化碳排放的最有前景的方案之一。为了提升其实际可行性，ECO2R技术已从H型电解池发展到采用气体扩散电极（GDE）的流动池和膜电极组件（MEA）电池（图1）。然而，这些体系的稳定性仍然存在问题（例如碳酸盐生成和交叉）。最近，通过使用无碱金属阳离子（纯水进料）的MEA体系，MEA系统的稳定性已提高近一个数量级（ECO2R制乙烯的稳定性超过1000小时）。但其电流密度较低（制乙烯时仅约120 mA/cm2），导致产物收率有限（ECO2R制乙烯的CO2转化率仅约1%），这严重阻碍了ECO2R技术的工业化进程。
采用GDE的ECO2R MEA电池源自燃料电池领域（图1a-1c及补充图2）。然而，ECO2R系统比燃料电池更为复杂（见补充说明1）。以碳纸GDE（CP-GDE）为例，在ECO2R阴极，析氢反应（HER）产生的H2、多种产物以及未反应的CO2使得系统内的传质过程十分复杂（图1b）。这导致了高ECO2R产物选择性（法拉第效率：FE）与高CO2转化率之间存在不可调和的矛盾（详见补充说明1，以及补充图3和表7）。即，降低反应物CO2的入口流速虽可提高CO2转化率，但这会显著减缓CP-GDE中的CO2传质动力学并降低产物选择性。
为同时实现高CO2转化率和高产物选择性，本文提出了一种高扩散通量气体扩散电极（HDF-GDE），该电极仅由催化剂构成（图1d）。HDF-GDE可使CO2无需穿过惰性的CP-GDE基底而直接扩散进入催化剂层（图1e）。这不仅能显著增加物质进出HDF-GDE的整体通量，还能极大地提高GDE的空间利用率。从化学动力学角度看，HDF-GDE可加速系统的传质动力学，增加催化剂表面的CO2和关键反应中间体（如CO）的覆盖度，并降低来自水传递的H覆盖度。由于ECO2R活性对CO2/*CO覆盖度具有一阶或二阶依赖关系，这有望提升ECO2R活性。
在本研究中目标是通过加速传质动力学，在高稳定性的无碱金属阳离子ECO2R体系中实现高工作电流密度（即高CO2转化率），同时保持高产物选择性。此处的无碱金属阳离子条件指水中来源的痕量钠离子。为此，作者开发了一种HDF-GDE，其在催化剂中间层包含一个不锈钢网骨架。我们选用高性能的阶梯表面银（SS-Ag）催化剂作为模型催化剂来研究该体系的传质动力学，因其具有单一产物选择性（即CO）。结果表明，通过提高传质效率，无碱金属阳离子ECO2R制CO体系的电流密度从150 mA/cm²提升至400 mA/cm2，同时保持了高产物法拉第效率（~93%）。为进一步提高CO₂转化率并推动ECO2R技术的工业化，本文设计并定制了一个千瓦级的无碱金属阳离子MEA电堆，该电堆装配了HDF-GDE，用以评估整个系统的稳定性。
在~1.29 kW（60 A）的功率和3 L/min的CO2入口流速下，CO2转化率突破81%，CO法拉第效率达~90%。此外，HDF-GDE策略也成功应用于ECO2R制乙烯。在~1.95 kW（75 A）的功率和3 L/min的CO2入口流速下，ECO2R制乙烯的CO2转化率提高了约15倍。这两个系统的稳定性均超过1000小时，分别产出了~144 kg CO和~17 kg C2H4。对传质动力学的实时分析有望革新ECO2R系统的设计，并加速其工业部署。
图1：采用GDE的ECO2R MEA电池示意图。a,b, 采用传统GDE的ECO2R MEA电池。c,d, 传统基底碳纸GDE(c)和仅含催化剂的所提出的HDF-GDE(d)。e, ECO2R过程中HDF-GDE的传质示意图。
图2： SS-Ag的表征及其在无碱金属阳离子APMA MEA电池中的ECO2R性能。a, SS-Ag的HAADF-STEM图像。b, 对应于(a)的四维STEM(4D-STEM)假彩色取向图。色图显示了基于每个探针位置200个衍射点的角位置分类的晶粒取向。假彩色图指示了{111}晶面的面内取向，揭示了由孪晶引起的晶体学重新取向。c, SS-Ag的原子分辨率HAADF-STEM图像，显示了由沿{111}面的堆垛层错和孪晶界（白色虚线）诱导的阶梯表面。d, 在一系列施加电流密度下SS-Ag上ECO2R产物的FEs及相应的电池电压。e, 基于SS-Ag CP-GDE的APMA ECO2R系统示意图。f, 在150 mA/cm2和不同CO2入口流速下，无碱金属阳离子APMA MEA电池中SS-Ag上ECO2R的FEs和电池电压。g, 在不同CO2入口流速下SS-Ag上ECO2R-to-CO的CO2转化率和电池电压。h, 在不同CO2入口流速下ECO2R产物的FEs。数值为平均值，误差棒表示标准差(n=3次重复)。MEA系统中所有测试的电池电压均未进行iR补偿。
图3：无碱金属阳离子APMA MEA系统中HDF-GDE的ECO2R性能。a, SS-Ag HDF-GDE的数码照片，显示其疏水性。b, 基于SS-Ag HDF-GDE的APMA ECO2R系统示意图。c, 在一系列施加电流密度下SS-Ag HDF-GDE上ECO2R产物的FEs及相应的电池电压。d-f, 在不同电流密度下SS-Ag HDF-GDE和SS-Ag CP-GDE上ECO2R的CO FEs(d)、H2 FEs(e)和电池电压(f)的比较。g, SS-Ag CP-GDE和SS-Ag HDF-GDE的CO2转化率比较。h, 在400 mA/cm2下，无碱金属阳离子APMA MEA电池中SS-Ag CP-GDE和SS-Ag HDF-GDE上ECO2R的原位拉曼光谱。数值为平均值，误差棒表示标准差(n=3次重复)。MEA系统中所有测试的电池电压均未进行iR补偿。
图4：在150 mA/cm2下不同GDEs（孔隙率为0.8）中CO2贡献的模拟。a,b, 在不同CO2入口流速和平行方向下，施加电流密度为150 mA/cm2时不同GDEs中的CO2浓度。c,d, 在CO2入口流速为2 sccm和施加电流为150 mA/cm2时，CP-GDE(c)和HDF-GDE(d)催化剂层表面的CO2浓度。e, 对应于(c)和(d)结构的催化剂层四个选定区域中不同GDEs的CO2浓度。f,g, 在CO2入口流速为2 sccm和施加电流为150 mA/cm2时，CP-GDE(f)和HDF-GDE(g)催化剂层表面的CO浓度。h, 对应于(f)和(g)结构的催化剂层四个选定区域中不同GDEs的CO浓度。
图5：装配有HDF-GDE的千瓦级无碱金属阳离子APMA MEA电堆用于ECO2R。a-c, 电堆系统中流道板(a)、组装好的电堆侧视图(b)和电堆前视图(c)的数码照片。d,e, SS-Ag HDF-GDE在60 A电流(d)和SS-Cu HDF-GDE在75 A电流(e)下的ECO2R系统稳定性性能。f, 文献和本工作中不同催化剂在不同CO2入口流速下ECO2R的CO2转化率。
综上，作者针对电催化二氧化碳还原（ECO2R）技术在工业化进程中因传质动力学缓慢而导致的高产物选择性与高CO2转化率难以兼得的核心瓶颈，提出了一种创新的高扩散通量气体扩散电极（HDF-GDE）策略。
传统碳纸GDE（CP-GDE）中惰性基底阻碍了反应物和产物的高效传输，而HDF-GDE通过摒弃该基底，仅由催化剂、疏水性PTFE和嵌入其中的不锈钢网骨架构成，使CO2能够直接接触催化剂活性位点，从而极大加速了整个系统的传质动力学。
研究团队以具有阶梯表面的银（SS-Ag）纳米颗粒为模型催化剂，在无碱金属阳离子（纯水进料）的MEA体系中验证了该设计的有效性。
结果表明，HDF-GDE不仅将ECO2R制CO的电流密度从150 mA/cm2大幅提升至400 mA/cm2，同时保持了约90%的高法拉第效率，且CO2转化率显著提高。
更重要的是，该策略成功实现了千瓦级的系统放大，装配有HDF-GDE的电堆在超过1000小时的长期运行中表现出卓越的稳定性，分别以1.29 kW和1.95 kW的功率高效生产了144 kg CO和17 kg C2H4，其CO2单程转化率分别高达81%和较基准提升约15倍。
经济性分析进一步证实，该无碱金属阳离子HDF-GDE系统在大规模生产CO方面已具备经济可行性，其成本低于市场价格，凸显了其巨大的工业应用潜力。
Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer. Nat. Commun., 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-69175-9.
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