南京大学钟苗课题组JACS: 气–液双通道传输电极策略实现稳定高效碳酸氢盐电解

第一作者：刘朝阳

通讯作者：钟苗教授

通讯单位：南京大学现代工程与应用科学学院

论文DOI：10.1021/jacs.5c20900

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南京大学钟苗课题组开发了一种具有气–液双相传输能力的Nafion^TM–SiC复合分层电极结构，在催化剂和双极膜间构建出同时具备稳定二氧化碳（CO₂）输运通道与高效离子传导路径的界面环境。该结构不仅显著提升了原位电催化条件下界面CO₂浓度(高达75%)，并进一步通过促进K⁺富集和提升局部pH，强化了电还原CO₂，抑制了析氢反应（HER）。依托于电化学界面调控机制，在100 mA cm⁻²工业级电流下，实现以下性能：

• 84–88% CO法拉第效率

• 35.8%能量效率

• >1100小时连续稳定运行

并验证了该设计对Bi、Sn等催化剂的普适提升能力。

背景介绍

碳酸氢盐（HCO₃⁻）电解可耦合烟气捕集与可再生电能利用，将工业排放低浓度CO₂电催化转化为绿色碳一化学品，但相较纯CO₂电解，一步HCO₃⁻电解条件更为苛刻：普通电极表面往往反应物CO₂浓度很低，同时膜表面强酸环境进一步加剧了析氢副反应（HER），导致反应活性、选择性和稳定性等存在一系列挑战。

针对传统HCO₃⁻电解中CO₂供给不足与界面离子传输受限问题，研究团队在双极膜（BPM）与催化剂层之间，引入了一层5–15 μm厚度Nafion^TM–SiC纳米复合涂层，构建了具有稳定气–液双重渗透能力电极界面调控方法。

本文亮点

1. 提出构建气–液双相传输的电极结构，显著提高CO₂供给能力，原位电催化条件电极界面CO₂浓度提高至75%。Nafion^TM的疏水性氟碳链相互连通，形成连续的CO₂传输通道；SiC纳米颗粒之间的孔隙为电解液和K⁺提供了高效传输路径，实现原位电催化条件下电极界面富集K⁺离子，并抑制OH⁻传输实现界面近中性pH，强化CO₂电化学还原，抑制HER。

2. SiC–Nafion^TM的绝缘性质，阻止K⁺在电场作用下的异常渗透，长期保持电极疏水结构完整与气–液双通道，实现碳酸盐电解大于1100小时的超长稳定运行。

图文解析

图1展示了HCO₃⁻电解的电极结构示意图，双极膜原位生成CO₂、经由Nafion^TM–SiC涂层输运至催化剂表面。电镜清晰展示了从覆盖涂层到催化剂层到导电层电极结构，明确电极表面高效气–液双相传输通道，全面提升HCO₃⁻电解性能。

图1 碳酸氢盐电解原理与气–液双相传输电极的整体结构设计

图2通过不同厚度涂层下CO₂渗透实验，定量揭示了Nafion^TM–SiC复合涂层在气体和液体传输能力上的独特优势。厚度优化测试显示，约5–10 μm的涂层厚度可同时满足快速CO₂输运与高效液相离子传输的要求，使分层电极在传质性能上具备最佳平衡，证明了Nafion^TM–SiC复合层在建立气–液协同传质网络中的关键作用。

图2 分层电极涂层气液传递测试

图3综合数值模拟与局部化学环境分析显示，复合涂层能够显著促进K⁺在界面处的富集，并通过限制OH⁻扩散使局部pH从强酸性提升至弱碱区间，显著抑制HER，从而为体系在高电流密度下维持优异的CO₂还原选择性提供了依据。

图3 界面微环境的多维度调控：K⁺富集与局部弱碱性环境

图4展示了分层电极在不同电解液浓度、电流密度以及不同离聚物结构下的电化学性能对比，说明了Nafion^TM–SiC设计对维持高CO法拉第效率和高能量效率的作用。在优化结构下，电极在100 mA cm⁻²工业级电流密度下，实现了84–88%的CO法拉第效率，能量效率达35.8%，连续运行超过1100小时稳定性测试未出现明显的性能衰减。

图4 Nafion^TM–SiC分层结构实现高效碳酸氢盐电解与>1100小时耐久性

图5从微观结构、元素分布等多个角度揭示了Nafion^TM–SiC分层电极实现长期稳定运行的根本原因。长时间运行后的表面与截面SEM显示，该涂层在千小时运行后仍保持疏水结构完整，且未出现明显的浸润与结构塌陷；而对照体系中不含Nafion^TM–SiC层则因K⁺在电场驱动下持续渗透而亲水化，导致电极失效。进一步的EDX、XPS与形貌分析证实，SiC的电绝缘特性有效阻止了K⁺的持续累积，是涂层保持稳定气体通道和长期疏水性的关键所在。该图从结构演化的角度为体系实现千小时级稳定运行提供了直接证据。

图5 结构稳定性机理：电极疏水性保持与K⁺渗透抑制机制

总结与展望

通过构建具备气–液双相协同传输能力的Nafion^TM–SiC分层电极，解决了HCO₃⁻电解在CO₂供给不足、界面酸化严重、析氢反应竞争以及电极结构易失稳等方面的瓶颈。该分层结构能够在催化剂界面同时实现高浓度CO₂、高浓度K⁺与弱碱性pH的协同调控，并在长时间运行中稳定保持疏水结构完整，使体系在工业相关电流密度下获得优异的CO选择性与能量效率。更为重要的是，该结构展现出超过千小时的稳定性，显著超越现有HCO₃⁻电解体系的耐久性水平，体现了界面结构工程在电化学转化中的潜力。

作者介绍

刘朝阳，南京大学现工院博士研究生（导师：钟苗教授）。以第一作者在J. Am. Chem. Soc.等学术刊物上发表论文2篇。

钟苗，博士，南京大学现工院教授，博士生导师，2018年入选“海外高层次人才计划”。本硕毕业于上海交通大学，博士毕业于东京大学。分别在东京大学、JSPS、NEDO和多伦多大学从事博士后研究工作，一直从事小分子电催化方面的研究工作。独立工作以来，以第一或通讯作者身份在Nature，Nat. Catal，J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Angew. Chem. In. Ed.等国际学术期刊上发表论文70多篇。发表英文学术专著章节2章，主编英文学术专著1本，授权并转让美国专利1项。

参考文献

Zhaoyang Liu, Haoyang Jiang, Zhicong Li, Yongcheng Xiao, Le Li, Jin Zhang, Sheng Guo, Miao Zhong*. Sustainable and efficient bicarbonate electrolysis via enhanced CO₂ and cation availability on a gas-water dual-permeable electrode. J. Am. Chem. Soc. 2026.

https://doi.org/10.1021/jacs.5c20900

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