港理工刘树平、张晓&江苏大学许晖最新Nature子刊，多孔固态电解质给质子“降温”，为CO₂“开路”，重塑捕集碳电还原！！！

直接电化学转化捕集的碳物种，为避免传统碳捕获与利用（CCU）中高能耗的CO₂热释放、压缩和运输步骤提供了一条途径。然而，在质子交换膜（PEM）反应器中，酸性阴极环境会促进析氢反应（HER），并限制从（重）碳酸盐捕获介质中再生CO₂，导致碳利用率低和能量需求高。

基于此，香港理工大学刘树平、张晓&江苏大学许晖展示了一种模块化的PEM-多孔固态电解质（PSE）反应器，可将（重）碳酸盐直接转化为CO。通过原位可视化透明电池，作者发现PSE能够调节质子传输、减少局部质子还原、限制气泡积累，并促进CO₂向阴极传输。PEM-PSE反应器在200 mA cm⁻²下实现了90%的CO法拉第效率、84%的碳效率，以及约26.0 GJ t⁻¹ CO的能耗。它能在高达800 mA cm⁻²的电流密度下运行，CO生成速率达到约8.0 mmol h⁻¹ cm⁻²。这些结果突显了在捕获碳的电化学转化中调控质子和气体传输的重要性。

图1 | 废气CO₂回用系统示意图。a，顺序CO₂捕获和气相CO₂电解方案，涉及多步高能耗步骤。b，自循环碳捕获和转化过程，采用电化学MEA反应器电解捕获介质（也称为反应性CO₂捕获）。c，作者的PEM-PSE反应器示意图，配置为三腔室电化学电池。注意，仅使用单个PEM将阳极与中间腔室隔开，而阴极直接贴在固态电解质上。

图1直观对比了三种技术路径：a图是传统的“捕获-煅烧-压缩-电解”多步路线，能耗极高；b图是相对先进的反应性捕获（MEA），但面临酸性界面导致严重HER的问题；c图则是本文提出的PEM-PSE结构，在PEM和阴极之间插入了一层多孔固态电解质（PSE），这一物理隔离为调控局部微环境（质子和气体）提供了可能。

图2 | 反应器设计与性能提升。a，传统PEM-MEA反应器示意图，其富质子阴极界面更倾向于HER而非捕获介质电解。b，使用1.0 M KHCO₃作为捕获介质时，对应的FE_CO和FE_H₂随电流密度的变化。c，传统PEM-flow反应器示意图，包含PEM和用于捕获介质电解的中性电解质腔室。d，对应的FE_CO和FE_H₂随电流密度变化。e，作者的PSE反应器设计示意图。f，对应的FE_CO和FE_H₂随电流密度变化。

图2用硬核的电化学数据证明了PSE的威力。在传统MEA中（图a, b），阳极产生的质子直接“砸”向阴极，导致极度酸性，HER抢占主导，FE_CO仅约29%。在增加了液流腔室的PEM-flow中（图c, d），虽然FE_CO提升，但电阻大增。而本文的PEM-PSE结构（图e, f），PSE层起到了“质子缓冲池”的作用，不仅有效抑制了HER，还在200 mA cm⁻²下将FE_CO大幅提升至90%。

图3 | 反应器设计对CO₂再生和电子效率的影响。a，不同电流密度下三种反应器的i-CO₂。b，不同电流密度下三种反应器生成CO₂的电子效率。c，不同电流密度下三种反应器中CO的体积分数。d，以Pt/C为阴极的PEM-PSE反应器中界面CO₂的示意图。e，以Pt/C为阴极的PEM-MEA反应器中界面CO₂的再生强度（在HER下）。f，以Pt/C为阴极的PEM-PSE反应器中界面CO₂的示意图。g，PEM-PSE反应器中界面CO₂的再生强度（在HER下）。

捕获液（KHCO₃）需要通过质子化才能释放出可还原的CO₂。图3a显示，没有PSE时，界面CO₂生成速率随电流先升后平甚至下降，供不应求；而加上PSE后，CO₂生成速率随电流单调飙升。为了排除阴极催化剂的干扰，作者巧妙地将阴极换成了只产氢的Pt/C（图d-g），结果依然证实PSE能显著促进界面CO₂的再生。图3c表明PSE结构下产物气流中CO的浓度高达约79%，极大地降低了后续气体分离的成本。

图4 | 界面物种形成与扩散机制的原位观察。a, b，PEM-flow和PEM-PSE反应器中可视中间腔室在不同操作时间下的照片（100 mA cm⁻²）。c, d，使用甲基橙指示剂（200 mA cm⁻²）观察PEM与阴极界面的照片。e, f，使用酚酞指示剂观察的照片。g, h，KHCO₃电化学转化过程中，有/无PSE的反应器阴极界面物种的原位ATR-SEIRAS。i-k，通过FEMS联用恒流测试检测产物。M/Z = 44 (CO₂) (i)，M/Z = 28 (CO) (j)，M/Z = 45 (*COOH) (k)。

这是本文最出彩的机理解析部分。通过透明电池（图a, b），可以肉眼看到：没有PSE时，CO₂大气泡淤积在膜界面；有PSE时，气泡被粉碎成微气泡快速穿梭。通过酸碱指示剂（图c-f），研究者直接“看到”了PSE成功阻止了酸性区域蔓延至阴极。原位红外光谱（ATR-SEIRAS，图g-h）和质谱（FEMS，图i-k）进一步证实，PSE层不仅维持了良好的局部pH，还保障了充足的CO₂供应，从而生成了大量关键的*COOH和CO中间体。

图5 | PEM-PSE反应器的实际性能评估与系统级能量分析。 a，从烟气中连续捕获和利用碳的机制示意图。b，用于电化学KHCO₃转化的固态电解质反应器照片。c，连续碳捕获和利用的计时电位法稳定性测试（烟气：CO₂ 15% + O₂ 5% + N₂ 80%）。PSE反应器可稳定运行超过300小时。d，输入直接空气捕获得到的含碳溶液时的I-V曲线及相应的FE_CO。e，进一步降低能耗的方法：不同PEM厚度、KHCO₃浓度和操作温度下的电池电压。f，基于不同电流密度和FE_CO的PEM-PSE反应器中KHCO₃电化学转化总CO生产成本等高线图。

图5展示了技术的落地潜力。图c证明了在有氧气存在的模拟烟气下，系统能稳定运行超过300小时，FE_CO保持在70%以上（氧气在水中的溶解度低，未造成致命影响）。图d表明，该系统甚至可以直接处理“直接空气捕获（DAC）”得到的极稀溶液，依然能跑出约69%的FE_CO。图e和f进行了技术经济分析（TEA），通过优化组件参数，CO的生产成本可降至每吨约300美元以内，在碳税补贴政策下极具商业化前景。

结论

本文针对碳酸氢盐直接电解中“酸性界面引发析氢”与“CO₂传质受限”的痛点，提出了一种模块化的PEM-PSE（质子交换膜-多孔固态电解质）反应器。
该设计巧妙利用PSE层的双重功能：一方面作为“质子缓冲层”，避免阴极过度酸化，抑制HER；另一方面作为“气体传输网”，将CO₂大气泡细化，加速CO₂向阴极的传输。这一界面工程策略使得系统在200 mA cm⁻²下获得了90%的CO法拉第效率和84%的碳效率，并能高电流密度（800 mA cm⁻²）稳定运行。该研究不仅为“反应性碳捕获”提供了高效的器件原型，更深入揭示了局部微环境（酸碱度、气泡动力学）对多相催化电还原的决定性影响。

Gong, S., Xia, Q., Zhai, Y. et al. A porous solid electrolyte interface enables efficient electroreduction of captured carbon to CO. 

Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-78954-3

文章来源：电解质前沿