面向工业化应用的分子工程：全氟烷基链构建内置疏水微环境助力全pH 下CO₂电解

第一作者：李雅静

通讯作者：韩淑果*，朱起龙*

单位：中国科学院福建物质结构研究所

在“双碳”背景下，开发大电流、高效率的二氧化碳（CO₂）电催化转化技术已成为实现绿色化工的重要突破口。尤其是，酸性条件下的CO₂电还原反应能够从根本上解决CO₂损耗和盐析问题，具有更优的反应动力学特性，且与工业成熟的质子交换膜（PEM）技术高度兼容，为构建高效稳定的规模化CO₂电解系统开辟了新路径。然而，酸性环境会加剧析氢反应（HER）的竞争，这对催化体系的设计提出了更高要求。研究表明，在大电流工况下，构建稳定的疏水微环境对酸性体系尤为关键。传统采用聚四氟乙烯（PTFE）颗粒预混的催化电极制备方法往往面临疏水界面易失效、活性位点被覆盖等瓶颈，难以满足工业化应用需求。针对这一挑战，中国科学院福建物质结构研究所朱起龙团队提出了一种分子尺度活性位点与疏水微环境一体化设计的策略，成功开发出兼具高活性、高稳定性及工业兼容性的单分子集成催化电极，实现了全pH范围内大电流密度的CO₂高效电解。该研究通过"分子设计-界面调控-器件集成"的系统性创新，为电催化材料的理性设计提供了新范式，将有力推动人工碳循环技术的产业化进程。

针对传统疏水电催化剂在酸性电解液中普遍存在的活性衰减快、三相界面传质受限等关键科学问题，研究团队创新性地提出了"分子水平微环境工程"设计理念。通过精准分子设计，成功合成了一类具有全氟烷基链修饰的钴酞菁分子（7F-CoPc），并利用液相自适应锚定策略，实现了从疏水微环境分子结构设计到大尺寸集成催化电极的跨尺度构建。

图1. 含内置疏水微环境的催化电极的构建

要点二：性能突破——酸性电解液中工业级电流密度下运行

在酸性电解环境中，经适度疏水微环境修饰的7F-CoPc@GF催化电极展现出卓越的电催化性能，电流密度可达-420 mA cm^-2，连续运行25小时活性无明显衰减，其耐久性显著优于不含疏水微环境的对照样品Meo-CoPc@GF（三小时既衰减至初始性能的72%）（图2）。值得注意的是，该电极在酸性、碱性、中性条件下均能维持90%以上的CO法拉第效率，这一特性得益于其独特的"分子疏水盾"结构设计。这种兼具高活性、高稳定性和宽pH适应性的分子工程策略，为发展工业化CO₂电解技术提供了新的材料设计思路。

图2. 全pH范围下的CO₂电解性能。

要点三：机理揭示——疏水微环境优化反应路径

研究团队联合同位素标记实验、原位接触角动态监测和原位拉曼光谱等多种表征技术，系统揭示了疏水微环境在CO₂电还原过程中的多重协同优化机制：（1）在界面反应层面，适度疏水的固液界面构建了高效的电子迁移-物质传输双通道，显著提升了反应物分子的可及性；（2）在反应选择方面，精准调控的疏水微环境通过优化界面水分子排布，形成弱排斥水层，有效抑制了析氢副反应的竞争；（3）在产物吸脱附方面，独特疏水界面促进了CO₂的迁移吸附和CO产物的快速脱附。

图3. 疏水微环境优化反应的机理研究

Rapidly Constructing Meter-Scale Single-Molecule Integrated Catalytic Electrode with Hydrophobic Microenvironment for pH-Universal CO₂ Electroreduction, Adv. Funct. Mater. 2025, 35, 2501936.

朱起龙简介：研究员，博士生导师，课题组长，英国皇家化学会会士，国家级海外高层次人才。长期从事能源催化材料及电催化与电合成应用研究。迄今，以第一/通讯作者身份在Nat. Rev. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Chem、JACS、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem.、Nat. Commun.、CCS Chem.等国际知名期刊上发表论文160余篇，影响因子IF>10论文100余篇。论文引用17000多次，H指数64，其中30多篇入选ESI高被引（top 1%）或ESI热点（top 0.1%）论文。出版专著1本，专章3章。授权发明专利11项。曾获国家海外高层次人才计划、英国皇家化学会会士（FRSC）、中国科学院引才计划、福建省百人计划、江西省双千计划创新领军人才、福建省杰青项目、福建省首批青年人才托举工程、Wiley中国开放科学高贡献作者奖、纳米研究青年创新者奖、日本学术振兴会（JSPS）基金等，并入选全球前2%顶尖科学家“年度科学影响力”（2019-2024）和“终身科学影响力”（2021-2024）榜单、爱思唯尔（Elsevier）“中国高被引学者”（2022-2024）和科睿唯安（Clarivate Analytics）“全球高被引科学家”（2022-2024）等。

课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/qlzhu