魏伟教授、陈为教授， ACS Catalysis文章：锌中空纤维透散电极助力实现具有可行应用前景的安培级二氧化碳电还原

第一作者：刘小虎，李守杰，陈奥辉

通讯作者：魏伟*，陈为*，董笑*

单位：中国科学院上海高等研究院，上海科技大学

eCO₂RR技术可将CO₂转化为高附加值化学品，具有显著的环境和经济效益。在众多eCO₂RR产物中，CO因其在化学工业中的广泛应用而备受关注，但其生产受限于贵金属催化剂的使用。锌基催化剂作为贵金属催化剂的低成本替代品，具有较高的CO选择性和可调节的结构形态，但其在eCO₂RR中的活性和选择性仍需进一步提高。中空纤维透散电极（HPE）作为一种创新的电极设计，能够显著提升气液固三相界面的传质和反应动力学，克服传统电极在气体反应物供应方面的不足。该研究文章介绍了一种锌中空纤维透散电极（Zn HPE），独特的透散模式可以确保维反应气CO₂在表面活性位点的局部富集和快速补充，为设计高效的CO₂电还原电极提供了一种有前景的方法。

基于此，中国科学院上海高等研究院的魏伟团队陈为课题组，在催化知名期刊ACS Catalysis上发表题为“Zinc Hollow-Fiber Penetration Electrode Promotes Ampere-Level CO₂ Electroreduction for Viable Applications”的研究文章。该研究文章设计了一种用于高效CO₂电还原CO的纯锌中空纤维透散电极，分析电极结构设计与局部微环境调控的创新策略，为推进工业级CO₂转化系统的高效运行提供了重要参考。

图1. Zn HPE的透散效应增强气液固三相界面的传质的示意图。

Zn HPE以氧化锌中空纤维管前驱体为原料，经相转化及烧结工艺制备，再通过电化学还原处理得到。其具有丰富的中空孔道与复杂的微米孔结构，利于气体反应物渗透。电化学还原后，表面原位形成纳米片，极大的增加了活性位点。电化学原位/工况表征技术揭示氧化物前驱体在还原过程中ZnO逐渐变为金属Zn⁰，并在eCO₂RR中保持稳定。

要点二：优良的eCO₂RR性能

在不同电解质体系中，Zn HPE的eCO₂RR性能差异显著。于KCl电解质中，其CO法拉第效率和过电位优势明显，因Cl⁻的特性吸附与局部pH增大抑制了HER。在3.0 M KCl电解质里，FE_CO在100至1000 mA cm⁻²电流密度下保持高值。稳定性测试显示，800 mA cm⁻²电流密度下运行110小时，FE_CO超90%，且技术经济性评估表明每吨CO的电极材料成本仅58.01美元，总成本降为385.53美元/吨。

要点三：透散模式优势

Zn HPE的透散模式通过多孔壁强制CO₂向电解液透散，提升CO₂传质效率，使eCO₂RR在高电流密度下依旧高效。而非透散模式下，CO₂传质效率低，难以实现大电流密度反应。理论模型与实验数据对比表明，透散模式下CO₂供应充足、传质优化，eCO₂RR性能接近理论极限。电化学表征显示透散模式下更小的Rct和Tafel斜率和更高的本征活性，表明其提升了电荷转移能力和反应动力学。

要点四：前瞻

通过透射FTIR技术显示Zn HPE的透散效应能够显著提高CO₂的溶解速率和局部富集程度，优化传质过程，提高反应物CO₂(aq)的供应效率。DFT计算进一步揭示了局部高CO₂覆盖度对Zn HPE表面的作用，表明其能够显著降低eCO₂RR过程中关键中间体形成的能垒，增强对CO生成的催化活性和选择性，同时有效抑制竞争性的HER。

Zinc Hollow-Fiber Penetration Electrode Promotes Ampere-Level CO₂ Electroreduction for Viable Applications

陈为，中国科学院上海高等研究院研究员，博士生导师。2008年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，2008-2010年在美国佛罗里达国际大学从事博士后研究，2010-2015年在沙特阿卜杜拉国王科技大学从事研究科学家工作。2015年加入上海高研院，入选中国科学院“百人计划”（A类）。面向CO₂资源化利用的国家战略需求，聚焦于CO₂电催化转化前沿研究，研发了原创高性能中空纤维透散电极体系，通过活性位设计与催化电极构型创新，在碳氧双键活化、碳碳偶联以及工程放大等方面取得了重要突破，将绿电驱动的CO₂制高值化学品新过程，发展成了能够真正实际大规模应用的新技术。在国家重点研发计划、中国科学院先导以及上海市碳中和专项等项目支持下，将于2025年底建成具有完全自主知识产权的全球首套万吨级CO₂电还原制合成气、千吨级CO₂电还原制乙醇等示范工程。在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Energy Environ. Sci.等发表SCI论文100余篇，他引9000余次；获授权专利10余件。曾获“上海市优秀学术带头人”、“全国百篇优秀博士学位论文”、“辽宁省自然科学一等奖”等奖项。

刘小虎，上海科技大学与中国科学院上海高等研究院联合培养博士生