张改霞教授＆孙书会院士＆张蕾院士AdvancedMaterials综述：高效二氧化碳还原与电解水制氢的电解池设计：进展与未来展望- 大数跨境

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张改霞教授＆孙书会院士＆张蕾院士AdvancedMaterials综述：高效二氧化碳还原与电解水制氢的电解池设计：进展与未来展望

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2025-07-09

导读：张改霞教授＆孙书会院士＆张蕾院士 Advanced Materials综述：高效二氧化碳还原与电解水制氢的电解池设计：进展与未来展望

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文章信息

优化电解池设计，提升二氧化碳还原与水电解制氢效率

第一作者：陈张森

通讯作者：张改霞*，孙书会*，张蕾*

单位：魁北克大学高等工程技术学院（ETS），加拿大国立科学研究院(INRS)，加拿大国家研究院 (NRC)

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研究背景

过量的二氧化碳（CO₂）排放加剧了环境危机，如全球变暖、极端天气事件、生物多样性丧失和海洋酸化。与此同时，能源危机也日益加剧。为了应对这些问题，人们需要采取重大努力来实现碳中和的目标。二氧化碳还原反应（CO₂RR）可以将从大气中捕获的CO₂转化为有价值的产品。然而，由于CO₂的惰性，CO₂RR反应需要大量的能量输入。电化学二氧化碳还原反应（eCO₂RR）具有利用可持续电能将CO₂转化为高价值燃料和化学品的巨大潜力。H₂作为一种清洁能源载体，是燃料电池车辆等应用中理想的替代化石燃料的选项，不会产生额外CO₂排放。氢气在重碳行业中也扮演着关键角色。由可再生能源产生的绿色氢气，是实现全球净零排放目标的关键。无论是CO₂RR 还是电解水生成H₂，电解池是实现催化反应的关键。理解电解池中不同器件的详细机制对于开发新一代用于CO₂RR和水电解的电解池设计至关重要。

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文章简介

近日，来自魁北克大学高等工程技术学院的张改霞教授与加拿大国立科学研究院的孙书会院士，和加拿大国家研究院的张蕾院士合作，在国际知名期刊 Advanced Materials 上发表题为 “Electrochemical Cell Designs for Efficient Carbon Dioxide Reduction and Water Electrolysis: Status and Perspectives” 的综述论文。本文综述了近期的先进电解池设计，涵盖了CO₂RR和水电解，同时介绍了用最新原位池器件设计技术，以监测催化剂的结构和化学性质在电化学反应中的演变。结合来自直接空气捕集的浓缩CO₂和可再生电力， eCO₂RR为将CO₂转化为燃料化学品提供了促进碳循环的可持续闭合的希望。水电解中的析氢反应（HER）产生的清洁氢气可以替代传统化石燃料且不会增加额外的CO₂排放。实现大规模高效率的eCO₂RR和HER需要合理的电解池设计，也是后续工业应用的关键。本文探讨了最新的电解池系统设计，包括流动池、膜电极组件和电解液工程，以最大化催化活性，满足工业需求。同时，还提及了阴极反应的配对选择，为设计高能效利用率的催化系统提供了有益思路。此外，本文还讨论了将eCO₂RR和HER与其他电化学系统（如燃料电池）结合的可能性，突出它们在未来工业脱碳过程中的潜在作用。最后，总结了工业规模eCO₂RR和水电解系统设计的现状、面临的挑战和未来展望。

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本文要点

要点一：CO₂RR电解池设计优化思路

流动池采用气体扩散电极（GDE）来提升传质，突破了传统H型反应池只能提供低电流密度的壁垒。在流动池中，优化极板中的流动模型可以进一步提升系统的传质效率从而提高反应活性（图1）。盐沉积，溢流等一系列问题都是CO₂RR电解过程中的难题。在酸性电解液中盐沉积问题得以缓解，并且通过在电解液中添加阳离子以及原位电解液激活策略可以很大程度上在酸性体系CO₂RR过程中抑制HER的发生，从而保持高的CO₂RR反应活性。除此以外，通过对催化剂形貌的调控，在催化剂界面创建局部高碱性环境也能有效得实现酸性电解液条件下的高效CO₂RR（图2）。

图1. 流动模型优化从而提升eCO₂RR活性

图2. 局部碱性环境实现酸性电解液条件下CO₂RR。

要点二：膜电极组件（MEA）工程

膜电极组件（MEA）继承了流动电池的优点，包括离子聚合物膜用于离子传输和产物分离，以及GDE用于改善传质。MEA排除了阴极电解液的参与，这种零间隙设计实现了GDE与膜的直接接触，减小电阻，从而达到工业等级的电流密度。此外，电阻损失的降低有助于降低池电压，使MEA更适合需要高能量效率的工业应用，不论是应用在CO₂RR还是水电解中（图3）。这种独特的结构还改善了流动电池中常见的问题，如在eCO₂RR过程中盐结晶和电极润湿的问题。为了更进一步提高MEA的性能，人们常从以下几个方面进行优化：

1. 对催化剂电极的改良；2. 采用不同的离子交换膜（PEM, AEM, BM）；3.以及多元离子交换膜并用（图4）。

图3. PEMWE。

图4. 多元离子交换膜在eCO₂RR中的应用。

要点三：电解池串联设计来实现工业化生产

工业中催化应用依赖于大模块堆积从而实现产业化。在水电解中，高温条件下运行的固态氧化物电解池（SOEC）已经得到部分应用。对于CO₂RR来说，若将不同的电解池集成到一个产业链中，将有可能实现多碳产物的大规模生产（图5）。与此同时，合理配对阳极的反应类型也可以进一步改善能耗效率，比如用HOR, GOR来替换OER，从而降低电解池电压，提高能源利用率。

图5. CO₂RR集成电解池产业化路径。

要点四：原位池的设计以及来自不同电化学池体设计的启发

为了能更进一步理解CO₂RR和HER的催化机理来优化催化剂设计以及理解催化反应过程，原位表征必不可少。诸如原位FTIR来监控反应过程中间体的生成，原位电镜来观测催化过程中催化剂结构的变化，原位XAS来表征催化剂活性位点在反应过程中的演变等。合理的原位池设计能够更好辅助原位表征的进行，不同的表征方式也对池体的结构和设计有不一样的需求（图6）。此外，除了CO₂RR和水电解以外，电化学池体器件设计涉及广泛，并且具有一定的共同性。通过从不同类型的电化学池体的设计中得到启发， CO₂RR和水电解的电解池设计有望得到进一步改善。

图6 原位XAS池设计。

总体来说，目前电解池设计在CO₂RR以及水电解工业化中还存在挑战，比如大规模产业化，稳定的原料供给，工程问题，贵金属材料消耗等。人们还可以在催化剂电极制备的改良，电解液激活再生，新型离子膜以及电解液制备，电解池集成产业化，搭配先进原位表征技术等方面进一步探索。

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文章链接

Electrochemical Cell Designs for Efficient Carbon Dioxide Reduction and Water Electrolysis: Status and Perspectives

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202505287

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通讯作者简介

张改霞教授：

主要研究领域：新能源转化与存储技术，例如氢能、锂电池、锌空电池、燃料电池等。

简介：加拿大清洁能源领域首席科学家, 加拿大高等工程技术学院Marcelle-Gauvreau 讲席教授。

其研究方向包括：

(1) 纳米材料：石墨烯、纳米碳管、氧化物、氮化物、复合材料，非铂和低铂催化剂等；

(2) 清洁能源器件与系统：锂电池、铝电池、燃料电池、金属空气电池，电解水制氢等；

(3) 原位表征技术：原位同步辐射、原位红外光谱、电化学阻抗等；

(4) 理论计算：DFT, Thermodynamic modeling。

在Nature Communications, Nature Sustainability, Energy Environmental Science, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Angew. Chem. Int. Ed,等国际著名期刊上发表论文200余篇，书籍章节10章，同时获得多个美国专利。

Email: gaixia.zhang@etsmtl.ca

课题组网页：https://www.etsmtl.ca/en/study-at-ets/professors/gzhang

孙书会教授：

加拿大皇家科学院和加拿大工程院两院院士、加拿大国立科学研究院教授、现任国际电化学能源科学院(IAOEES)副总裁、Springer-Nature 旗下期刊Electrochemical Energy Reviews (IF=28.4)执行主编，Nano Energy (IF=16.8)副主编，及10余种国际学术期刊的编委。长期致力于功能纳米材料的开发及其在清洁能源技术中的应用，包括燃料电池、绿色氢能、锂金属电池、金属空气电池、金属离子电池、二氧化碳转换等, 在Nature Sustainability, Nat. Commun., Science Advances, Energy Environ. Sci., Adv. Mater.，Adv. Energy Mater. JACS, Angew. Chem.等国际著名期刊上发表论文350余篇, 全球前0.05%顶尖科学家 (ScholarGPS)。主编英文专著3部，章节17章，同时获得多个美国专利。

Email: shuhui.sun@inrs.ca

课题组网页：

https://inrs.ca/en/research/professors/shuhui-sun/

张蕾研究员：

加拿大国家研究委员会高级研究员，加拿大工程院院士。她的主要研究方向包括电催化和用于能源转换与储存的先进材料，涵盖质子交换膜（PEM）燃料电池、超级电容器、电池以及二氧化碳还原等领域。