南开大学罗景山教授团队Nat Commun: 多孔膜实现酸性膜电极二氧化碳电解槽高选择性与长稳定运行

邃瞳科学云

2025-10-26

导读：本研究采用多孔膜替代传统离子交换膜，成功解决了酸性条件下CO2电还原反应中稳定性与选择性难以兼顾的问题，实现了高电流密度、近100% CO选择性、长达200小时的连续稳定运行

第一作者：魏世蕾

通讯作者：罗景山

通讯单位：南开大学

论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64342-w

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近日，南开大学罗景山教授团队在二氧化碳电化学转化领域取得重要突破。研究成果以题为“Porous membranes enable selective and stable zero-gap acidic CO₂ electrolysers”的论文发表于国际权威期刊Nature Communications。团队采用多孔膜替代传统离子交换膜，成功解决了酸性条件下CO₂电还原反应中稳定性与选择性难以兼顾的问题，实现了高电流密度、近100% CO选择性、长达200小时的连续稳定运行，为CO₂资源化利用提供了新的思路与技术路径。

背景介绍

随着全球“碳中和”目标的推进，将CO₂转化为高附加值产物成为能源化学研究热点。电化学CO₂还原（CO₂RR）技术因其可与可再生电力耦合、实现碳资源化而受到高度关注。

其中，零间隙膜电极电解槽因其结构紧凑、能量效率高，被视为工业化路线的重点架构。然而，在酸性环境下运行的电解槽存在多种挑战——析盐现象堵塞气体传输通道、电极泛水、析氢反应 (HER) 副反应严重等。解决这些问题，对提高系统稳定性、选择性及产业化可行性至关重要。

本文亮点

为了应对酸性条件下的技术挑战，南开大学罗景山教授团队提出并实现了以下目标：

1. 构件创新：采用多孔膜替代传统离子交换膜，通过选择合适膜孔径与亲水性，实现器件中三相界面传质优化，促使反应稳定运行。

2. 高性能指标：在酸性条件下，400 mA cm^-2电流密度下实现约85%的CO法拉第效率；4 cm²装置连续运行200小时，CO选择性近100%；100 cm²大面积电解槽测试约90%的CO选择性。

3. 机制深度：多孔膜允许碱金属阳离子（如 Cs⁺）与氢离子 (H⁺) 双向传输，避免离子单向高浓度积累，从根本上抑制析盐反应；膜的水传输特性防止阴极电极水淹，使反应三相界面稳定存在。

这些亮点组合展示了在酸性膜电极电解槽系统中同时兼顾高选择性、高电流密度、长时稳定的可能性，向工业化应用迈出关键一步。

图文解析

图1 （A）离子交换膜（左）与多孔膜（右）在电场中的传输特性。（B）不同离子浓度下CO法拉第效率对比测试。（C）不同电流密度下CO法拉第效率对比测试。

对比离子交换膜与多孔膜的工作传输特性并实验验证，实验结果显示，多孔膜可以在较低碱金属阳离子浓度下（0.01 M）实现接近90%的CO法拉第效率，且多孔膜电解槽在400 mA cm^-2电流密度下的 CO 法拉第效率（Faradaic Efficiency）高达85%，而离子交换膜系统CO法拉第效率不足20%。

图2 （A）膜电极电解槽构件。（B）100 cm²电解槽图示。（C）300 cm²电堆（3层）图示。（D）长时间稳定性测试。

同时，研究团队实现了连续运行200小时的长期稳定测试，CO选择性几乎保持在100%，且未出现析盐现象。在100 cm²大面积电解槽测试中，装置依然能稳定运行120小时，CO 选择性保持在约90%，充分验证了该技术的可扩展性与工业应用潜力。

总结与展望

本研究提出的多孔膜策略为酸性膜电极二氧化碳还原电解槽应用开辟了新思路，有效突破了析氢竞争和析盐反应等难题，为未来实现高附加值碳基燃料与化学品的电合成奠定了基础。

文献信息

标题：Porous membranes enable selective and stable zero-gap acidic CO₂ electrolysers.

作者：Shilei Wei, Hang Hua, Yuxuan Zhao, Jingshan Luo*

期刊：Nature Communications

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64342-w

作者介绍

魏世蕾，南开大学罗景山教授课题组博士研究生，研究方向为酸性膜电极电催化二氧化碳还原，目前以第一作者在Nature Communications, Chinese Journal of Catalysis, Applied Catalysis B: Environmental期刊发表3篇文章。

罗景山，南开大学教授、博导，国际合作与交流处副处长，国家引进海外高层次青年人才，国家优秀青年基金获得者，天津市杰出青年基金获得者。面向世界科技前沿和国家碳达峰碳中和重大需求，长期从事光/电催化能源材料和器件研究，取得了一系列具有国际影响的创新性研究成果，在Science, Nature, Nature Energy, Nature Catalysis等期刊发表论文180余篇，总引用3万多次，h因子76(谷歌学术）。曾入选《麻省理工科技评论》中国区“35岁以下科技创新35人”，2018-2024连续7年入选科睿唯安“全球高被引科学家”，曾获天津市青年五四奖章、天津市向上向善好青年等荣誉称号。受邀担任eScience执行副主编，Chemical Physics Reviews副主编，Research编委会副主编，多个国际/国内期刊顾问编委和青年编委。