ACS Energy Letters：阳离子门控效应在CO2RR膜电极器件中的水管理

第一作者：王托

通讯作者：王功伟*

单位：武汉大学

水在电化学能量/物质转换技术中起着至关重要的作用，包括水电解、CO₂电解以及H₂-O₂燃料电池等。水既是关键的反应物/产物，也是高效离子传导（如H⁺或OH⁻）必需的介质。因此，水的有效传输和分配是实现高电化学性能的先决条件。

近日，来自武汉大学的庄林/王功伟团队在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Organic Cation Gating Control for Water Management in CO₂ Membrane Electrode Assembly Electrolyzers”的文章，该文章提出了一种新的MEA水管理方法。通过向阳极加入大尺寸的有机阳离子来调控阴极水含量，从而调控CO₂还原产物选择性。

聚电解质膜本质上是半透膜，只允许特定离子（例如阴离子交换膜（AEM）中的OH⁻）和某些小分子（如H₂O）通过。利用该特性，使用高透水性的AEM，向膜电极（MEA）电解槽的阳极中加入适量的大尺寸有机阳离子（6-偶氮螺[5.5]十一烷阳离子，[ASU]⁺，不透过AEM），以调节膜两侧渗透压差来调控阳极到阴极的水扩散速率。此外，在通电条件下，这些有机阳离子会在电场的作用下向阴极迁移。由于其较大的尺寸以及AEM中有机阳离子的Donnan排斥效应，[ASU]⁺无法透过膜而在其表面聚集，从而形成一个相对疏水的“门控层”，进一步降低了阳极到阴极的水扩散速率。

为了研究大尺寸有机阳离子对水管理的影响，在MEA尾端出气口连接露点仪，通过实时监测阴极露点来表示阴极水含量变化。此外，结合电化学阻抗谱（EIS）对其膜内及阴极水含量变化进行表征。向MEA阳极中加入[ASU]⁺，阴极露点降低，器件内阻Ri增大，表明阴极和膜内水含量降低，这一现象可以用van’t Hoff定律解释。阳极加入[ASU]⁺后，其在通电条件下与开路电势（OCP）下的阴极露点差值显著高于阳极加入纯水的露点差值，这一现象表明通电后其阳极到阴极的水扩散量进一步降低，与EIS结果一致。最后，采用H型原位电化学拉曼池，阳极加入[ASU]+溶液，阴极加入KOH溶液，从阳极对其膜表面进行信号采集，证实了[ASU]⁺通电后在膜表面的聚集现象。

基于[ASU]⁺的水管理作用，将其应用至CO₂还原反应（CO₂RR）的MEA器件中。CO₂RR产物众多，各产物生成所需的CO₂/H₂O不同，通过调控阴极水含量来调控其产物分布。阳极加入[ASU]⁺，抑制了H₂和C₂H₄，促进了CO的生成。

Organic Cation Gating Control for Water Management in CO₂ Membrane Electrode Assembly Electrolyzers

王功伟副教授，博士生导师，2010年和2015年在武汉大学相继获得理学学士和理学博士学位，2016~2018年在美国University of Wisconsin Milwaukee从事博士后研究，2018年底回到武汉大学工作。主要从事电催化研究，包括CO₂/CO电解、原位谱学等，以通讯或第一作者（含共同）在Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等发表SCI论文三十余篇。

王托，本文第一作者，武汉大学化学与分子科学学院在读博士研究生，主要研究方向为电催化CO₂转化。