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电催化二氧化碳还原反应（eCO₂R）作为将人为排放的 CO₂转化为高价值化学品的核心技术，为实现碳中和目标提供了革命性解决方案。酸性条件下的 eCO₂R 操作具有显著优势，既能规避碱性 / 中性体系中固有的 CO₂利用率损失和盐沉淀问题，又能兼容成熟的质子交换膜（PEM）技术，实现更高的能量效率、太瓦级规模化应用潜力以及与间歇性可再生能源的适配性。

然而，酸性环境中丰富的水合氢离子（H₃O⁺）会优先发生析氢反应（HER），与 eCO₂R 形成强烈竞争，严重制约多碳产物（尤其是乙烯等 C₂产物）的生成。C₂产物合成所需的 C-C 偶联反应需要局部碱性微环境，而在工业相关电流密度（200-500 mA cm^-2）下，传统策略通过调控电化学双层（EDL）富集碱金属阳离子的方法会面临空间位阻限制 —— 反离子过度拥挤导致反应体积压缩，阻碍 CO 中间体的停留与偶联，同时引发气体扩散电极（GDE）内盐沉淀，严重破坏长期稳定性。如何在酸性体系中突破选择性与稳定性的权衡关系，成为 eCO₂R 技术工业化的关键瓶颈。

上海应用技术大学熊力堃、韩生、苏州大学彭扬、南京理工大学陈龙飞在国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》发表题为“Spatial Ion Redistribution Enables Stable Ethylene Synthesis in Acidic CO₂Electrolysis”的研究论文，熊力堃、Mutian Ma、Le Wei为论文第一作者，熊力堃、韩生、彭扬、陈龙飞为论文共同通讯作者。

1.创新离子门控设计：提出离子门控多孔覆盖层（IGPO）概念，构建超越传统纳米尺度 EDL 的三维离子管理区域，将催化表面与本体电解质动力学解耦，从结构上突破平面界面的固有局限。

2.协同功能层架构：设计 Cu/PCN-Ni/PTNs 分层电极，多孔碳纳米笼（PCNs）实现 K⁺的电容性存储与空间再分布，聚合物三嗪纳米笼（PTNs）通过质子化三嗪基团的唐南排斥效应调控质子传输，单原子 Ni 位点提供原位 CO 生成，形成多功能协同体系。

3.卓越催化性能：在 400 mA cm^-2 的工业级电流密度下，乙烯法拉第效率（FE）达到 61.1±3.4%，总 C₂⁺产物 FE 高达 86.2±2.1%，且在酸性条件下稳定运行超过 227 小时，解决了高电流密度下选择性与稳定性难以兼顾的难题。

4.高效碳利用效率：酸性体系结合 IGPO 设计抑制碳酸盐生成，单通道碳效率（SPCE）最高可达 53.4%，是碱性体系理论最大值（~25%）的两倍以上，显著降低碳损失。

图1. 模拟Cu和PCN修饰Cu电极的界面离子分布。

图2. PTNs及PCN-Ni的合成与结构表征。

图3. 层状PTNs/PCN-Ni/Cu阴极在酸性流动电池中的eCO₂R性能。

图4. eCO₂R过程中*CO在bare Cu和PCN-Ni/Cu上的原位表征。

图5. 不同PCN-Ni负载下*CO在PCN-Ni/Cu上的电位依赖拉曼位移。

图6. eCO₂R过程中电极表面OH⁻和H₃O⁺动态的探测。

该研究通过架构设计将离子管理从传统 EDL 扩展至多功能离子门控覆盖层，建立了 PCN-Ni/PTN 分层体系的协同作用机制：PCNs 实现阳离子空间再分布与 CO 原位生成，PTNs 构建质子排斥屏障，共同在酸性本体环境中维持 Cu 表面质子受限的局部碱性微环境，为 C₂⁺产物选择性合成提供保障。

PTNs/PCN-Ni/Cu 电极在工业级电流密度下实现了卓越的乙烯选择性与长期稳定性，其单通道碳效率远超碱性体系，验证了离子门控策略的有效性。该工作提出的 “离子管理与催化功能解耦” 设计范式，不仅突破了酸性 eCO₂R 的选择性 - 稳定性权衡，更为先进电催化体系的设计提供了通用框架，推动碳中性化学制造技术的工业化进程。

Spatial Ion Redistribution Enables Stable Ethylene Synthesis in Acidic CO₂ Electrolysis.Journal of the American Chemical Society.

https://doi.org/10.1021/jacs.5c18575