刘树平教授、许晖教授、任竞争教授，Nat. Commun.：千瓦级无碱金属阳离子CO2电解：以传质强化构建规模化反应工程

第一作者：佘小杰、徐志航、马强、钱绮明

通讯作者：刘树平*，任竞争*，许晖*

单位：香港理工大学，江苏大学

电催化二氧化碳还原（ECO2R）被认为是实现碳循环与可再生能源存储的重要技术路径。然而，在实际放大应用过程中，该技术仍面临体系结构复杂、电解液依赖性强以及规模化运行稳定性不足等关键挑战。尤其值得关注的是，当前主流的ECO2R体系普遍依赖碱金属阳离子（如K⁺、Cs⁺）来调控电极界面反应环境。尽管这类阳离子在实验室尺度下有助于提升反应活性与产物选择性，但在千瓦级甚至更高功率密度运行条件下，往往引发电解液管理复杂化、运行成本上升以及长期稳定性下降等一系列工程问题。此外，传统的ECO2R膜电极组件与气体扩散电极结构在电解过程中面临更加复杂的传质环境。阴极侧同时存在析氢反应生成的H2、多种反应产物以及未参与反应的CO2，使体系内的物质传输过程高度耦合并受到显著限制。以碳纸气体扩散电极为例，高产物选择性与高CO2转化率之间往往难以兼得。降低CO2进料流量虽可提高转化率，却会明显削弱CO2的传质动力学，从而导致产物选择性下降。上述传质受限问题已成为制约ECO2R技术规模化发展的核心瓶颈。因此，在不依赖碱金属阳离子的前提下，实现高电流密度且具备长期运行稳定性的CO2电解体系，已成为该领域亟需解决的关键科学与工程问题。

近日，来自香港理工大学的刘树平、任竞争教授与江苏大学的许晖教授合作，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer”的研究论文。该工作开发了一种HDF-GDE，并基于Ag和Cu模型催化剂来研究系统的传质动力学。研究发现HDF-GDE结构在保持高产物选择性的同时，也能够在无碱金属阳离子的ECO2R系统中实现高电流密度（即高CO2转化率）和高稳定性运行。

在ECO2R体系中，碳酸盐生成被普遍认为是制约反应效率与规模化应用的核心瓶颈之一，其本质来源于反应环境中CO2、水与强碱性条件之间的耦合效应。因此，在当前主流的碱性或含碱金属阳离子的ECO2R体系中，碳酸盐的不可避免生成构成了CO2 转化效率、能量效率与长期稳定性之间的根本矛盾。如何在高电流密度条件下抑制碳酸盐形成、减少CO2的非电化学损耗，已成为推动CO2电解从实验室走向工业化必须跨越的关键瓶颈之一。为此，作者构建了纯水电解质的膜电极系统。其在完全不引入碱金属阳离子的情况下，该ECO2R体系仍可在数百mA cm-2以上的电流密度下稳定运行。并且研究结果进一步发现，在高电流密度区间，体系性能不再主要受限于界面电化学调控，而是由CO2供给与反应物/产物传输能力所主导。

当前ECO2R体系中“高选择性”与“高CO2转化率”难以兼得，其原因在于低CO2流量下虽然提升了转化率，但CO2供应不足导致*H覆盖度上升，副反应HER占比上升，选择性显著下降；而提高流量虽然有利于选择性，但CO2转化率又极低，造成能耗高、产品产率低等问题。针对上述矛盾，作者提出并实现了仅由催化剂本体与金属骨架构成的高扩散通量GDE。该电极取消传统碳纸基底，采用不锈钢网（SSM）作为中层支撑骨架，使CO2可以直接穿过宏观孔道快速进入催化剂层，实现了从微纳孔到宏孔的多尺度扩散路径贯通，从根本上提升传质通量。该结构不仅显著减少了扩散阻力，也极大提升了活性位点表面的气-液-固三相界面利用率，并避免了传统碳纸造成的“催化剂空间利用率不足”。实验结果表明，基于HDF-GDE的SS-Ag电极在无碱体系中将电流密度从150 mA/cm2提升至400 mA/cm2的同时仍维持约90%的CO法拉第效率，HER占比反而从高电流密度下的70%降至14%，充分证明了传质加速对反应路径调控的关键作用。在保持CO2流量不变的条件下，CO2转化率提升约2.6倍，有效突破了过去CO2转化受限于流量降低的性能瓶颈。

更具突破性的是，作者将该无碱金属阳离子策略成功应用于千瓦级CO2电解系统。通过优化GDE结构以最大化二氧化碳扩散和GDE利用率，成功构建了一个千瓦级、稳定性高（>1000小时）的ECO₂R系统，该系统可Ag和Cu催化剂的选择分别生成一氧化碳和乙烷。在3 L/min的二氧化碳流速下，该系统在1000小时内可生成144 kg一氧化碳（1.29 kW）或17 kg乙烯（1.95 kW）。并且配备HDF-GDE的无碱金属阳离子ECO2R系统展现了大规模制取CO/C2H4的经济可行性。这一结果清晰表明，该策略不仅在概念上成立，更具备直接向工业放大迁移的现实基础，推动了碳中和化学制造的发展。

Kilowatt-scale alkali-cation-free CO2 electrolysis via accelerating mass transfer

刘树平教授的简介：香港理工大学应用物理系讲座教授，曾任该系主任，材料表征与器件制造实验室主任。1995年在 University of Swansea获得材料工程博士学位。1998 年加入 Nanyang Technological University任助理教授；2008年加盟The Hong Kong Polytechnic University任教授。现为讲座教授，自 2013 年起担任应用物理系主任。同时担任大学材料表征与器件制造研究设施主任，负责管理总值超过2000万美元的大型科研平台，包括电化学原子力显微镜、扫描透射电子显微镜以及100级洁净室等先进设备，在材料表征与器件制备方面具备国际一流的研究条件。American Physical Society会士，已发表400余篇学术期刊论文，主持并完成25余项科研项目，累计获得2300万美元以上的外部科研经费支持（总研发经费逾1.8亿元人民币）。研究方向聚焦于纳米材料与能源材料，重点开展二维材料的可控制备及其在光电器件、电催化与储能等领域的应用研究，在相关方向取得了系统性与前沿性的研究成果，具有重要的学术影响力与应用价值。至今在包括Science、Nature Materials等国际知名期刊发表学术论文超过400篇，H-index为77（Google Scholar）。

任竞争教授简介：香港理工大学Associate Professor，是过程系统工程、能源与可持续发展领域的国际知名学者。2022年，作为唯一获奖者荣获 亚太经合组织（APEC）科学创新、研究与教育奖（ASPIRE Prize），以表彰其在“以创新实现经济、环境与社会目标”及生物—循环—绿色经济方面的卓越学术贡献。其研究聚焦于能源、环境与可持续发展的过程系统工程，致力于基于系统思维构建创新工业过程、决策支持工具与优化模型，推动产业体系向低碳与碳中和转型。相关方法在多目标、多尺度、多维度及多利益相关方情景下支持可持续决策，已被全球学界广泛引用，并在工业界实现示范应用，取得显著的节能与减排成效。其“工业人工智能综合能源管理平台”荣获2022年深港生态环境科技创新交流大会最高荣誉——优秀奖。目前已发表论文 300 余篇（其中 SCI 论文 250 余篇），出版 Springer 英文专著1部，主编/参编学术图书20余部、章节50余章，成果发表于Nature Communications、Nature Food 等顶级期刊。作为项目负责人，主持 10 余项国际与地区竞争性科研项目。自2020年起，基于 Scopus 数据，其在“sustainability”“sustainability assessment”领域论文数量位列全球前十，并连续入选斯坦福全球前2%科学家。其论文被引1.1万余次（Google Scholar），H 指数最高61，多篇入选ESI高被引论文并获得多项最佳论文与学术荣誉。此外，他担任多家国际期刊的主编/副主编/编委，并长期服务于国际会议与科研项目评审工作。

许晖教授简介：江苏大学，教授，博士生导师，国家重点研发计划首席科学家、入选中组部“万人计划”青年拔尖人才、江苏省杰青、江苏省“333”工程培养对象、江苏省“六大人才高峰”高层次人才。2010年博士毕业于江苏大学，美国莱斯大学访问学者。现任中国能源学会能源与环境专业委员会委员，《催化学报》、《物理化学学报》青年编委。主要从事光电化学工程领域的研究工作，包括绿色氢能的高效制备、二氧化碳光电热催化转化等，主持了国家重点研发计划、国家级、省部级课题20余项，包括4项国家自然基金面上项目。在Nature Energy, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Sci. Adv., AIChE J., Cell Reports Physical Science, Ind. Eng. Chem. Res.等国际期刊发表SCI论文300余篇。申请国内外专利80余项，授权中国发明专利20件。发表的论文被SCI引用24000余次，H指数83。其中33篇论文入选ESI高被引论文，10篇ESI热点论文。

2013年获中国百篇最具影响国际学术论文奖(第一完成人)；2014年获得中国石油和化学工业联合会科技进步三等奖(第二完成人)；2018年与海南大学合作获海南省科技进步一等奖(第二完成人)；2019 年获得江苏省杰出青年基金，2019-2022年连续入选科睿唯安(ClarivateAnalytics)全球高被引科学家；2021-2023年连续入选爱思唯尔高被引学者；2019年指导研究生荣获第十六届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖和江苏省赛区特等奖；2020年获侯德榜化工科学技术青年奖；2021年荣获中国石油和化学工业联合会科技进步二等奖(第一完成人)。

佘小杰，江苏大学，教授/博导，主要致力于能源催化转化与利用的研究以及化学工程反应系统的设计研发。先后在美国辛辛那提大学化工系和香港理工大学应用物理系从事科研工作。在Nature Energy, Nature Communications, Cell Reports Physical Science, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, ACS Nano等重要期刊发表SCI收录论文20余篇，其中5篇ESI 1%高被引论文，3篇热点论文，SCI他引超4500余次，H-Index为39。美国专利2项，中国专利3项。获得2018年江苏省优秀博士学论文奖、2020年Cell子刊最佳学术论文奖等。现为美国化学会会员，中国化学会会员。2022年入选“江苏特聘教授”；2023年获批国家工信部海外引才专项；2024年获批江苏省优秀青年科学基金，并获得2023年第48届日内瓦国际发明展览会发明奖“金奖”、2024年第十九届“挑战杯”国赛一等奖等荣誉。

Daniel S.P. Lau教授，香港理工大学应用物理系讲座教授，美国物理学会会士。近年来致力于低维纳米功能材料与器件、能源催化等领域的研究工作，在低维材料的光电探测器，电催化及能源转化与存储等领域取得了开创性的研究成果。在Science, Nature Material, Nature Energy, Nature Nanotechnology, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials等国际顶级期刊发表SCI论文400余篇，出版专著4部，编著会议记录5部。作为首席研究员/共同首席研究员主持完成了超过26项研究项目，获批经费总额超过了2300万美元；所管理的工程、科研仪器超过1亿美金。