南京大学钟苗课题组JACS：电化学界面调控实现超长稳定、高效碳酸氢盐电解制碳一化学品

第一作者：刘朝阳

通讯作者：钟苗教授*

单位：南京大学现代工程与应用科学学院

碳酸氢盐（HCO₃⁻）电解技术能够将烟气捕集过程与可再生电能利用相结合，从而将工业排放中的低浓度CO₂直接电催化转化为绿色碳一化学品。然而，与以高纯CO₂为原料的电解体系相比，一步式HCO₃⁻电解对反应环境的要求更为严苛：常规电极表面可利用的CO₂浓度偏低，而双极膜附近的强酸性环境又会显著促进析氢副反应（HER），进而在反应活性、产物选择性以及运行稳定性方面带来诸多限制。

为解决传统HCO₃⁻电解体系中CO₂供给不足及界面离子传输受阻的问题，研究团队在双极膜（BPM）与催化剂层之间引入了一层厚度约5–15 μm的NafionTM–SiC纳米复合涂层，从而构建了一种具备稳定气相与液相双向渗透能力的电极界面调控策略。

南京大学钟苗课题组构建了具有气–液双相传输能力的NafionTM–SiC复合分层电极结构，在催化剂层与双极膜之间形成稳定的CO₂输运通道和高效离子传导界面，可将原位CO₂浓度提升至约75%，并通过促进K⁺富集与提高局部pH来增强CO₂电还原、抑制析氢反应（HER）。借助该界面调控策略，体系在100 mA cm⁻²下实现了84–88%的CO法拉第效率、35.8%的能量效率，并可稳定运行超过1100小时。

研究团队构建的NafionTM–SiC复合分层电极在催化剂层与双极膜之间形成了同时具备气体（CO₂）和液体（电解液/K+）双通道传输能力的界面结构。其中，NafionTM的疏水性氟碳链彼此贯通，搭建起连续的疏水CO₂传输网络，使双极膜原位生成的CO₂能够快速穿透涂层、输运至催化剂表面；与此同时，SiC纳米颗粒之间形成的多级孔隙提供了优良的液体路径，使电解液和K+得以高效渗透至反应界面。两种传质通道相互协同，显著改善了碳酸氢盐电解中长期受限的CO₂供给问题，并构筑出稳定、高效的三相反应界面 。

复合分层结构中的SiC层不仅提供液相传输路径，还在双极膜酸性界面与催化剂表面之间充当了关键的pH缓冲层。在此结构中，NafionTM对K⁺具有较高的亲和力，可使K⁺在界面处形成富集，而SiC的多孔网络又限制OH−的快速扩散，从而共同将原本强酸性的BPM界面环境调节至接近中性甚至弱碱区域。该微环境显著抑制HER，使催化界面具备高选择性的CO₂电还原优势。模拟与实验均证实，通过复合涂层调控后的界面pH明显提升，是其在高电流密度下仍能维持优异CO选择性的关键机制之一。

SiC纳米颗粒属于电绝缘材料，在电场作用下能够有效阻止K⁺的异常渗透，使涂层内部不会因离子累积导致亲水化和结构破坏，从而长期维持疏水气体通道的完整性。相比未引入复合涂层的电极会因K⁺持续迁移导致疏水结构塌陷、引发电极淹没现象，NafionTM–SiC分层电极即便在100 mA cm⁻²的工业级电流密度下运行超过1100 小时，仍能保持稳定的气–液界面和CO₂传输能力，电极结构未出现浸润或变形，是实现碳酸氢盐电解体系超长稳定性的根本因素。

“Sustainable and efficient bicarbonate electrolysis via enhanced CO₂ and cation availability on a gas-water dual-permeable electrode.”

钟苗教授简介：博士，南京大学现工院教授，博士生导师，2018年入选“海外高层次人才计划”。本硕毕业于上海交通大学，博士毕业于东京大学。分别在东京大学、JSPS、NEDO和多伦多大学从事博士后研究工作，一直从事小分子电催化方面的研究工作。独立工作以来，以第一或通讯作者身份在Nature，Nat. Catal，J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. In. Ed.等国际学术期刊上发表论文70多篇。发表英文学术专著章节2章，主编英文学术专著1本，授权并转让美国专利1项。

刘朝阳，南京大学现工院博士研究生（导师：钟苗教授）。以第一作者在J. Am. Chem. Soc.等学术刊物上发表论文2篇。