突破极限！CO₂直接变高浓度甲酸，稳定运行8000小时
在“双碳”目标驱动下，利用可再生能源将CO₂转化为高附加值化学品，成为当前能源与材料领域的研究热点。其中，甲酸（或甲酸盐）因易储存、易运输且应用广泛，被视为最具产业化潜力的CO₂电还原产物之一。然而，传统电解体系往往面临一个核心瓶颈：产物浓度极低（通常<0.1 M），需要高能耗的后处理分离，同时在高浓度条件下又容易出现选择性下降、稳定性不足等问题。如何在高电流密度下，实现高浓度、高选择性且长时间稳定运行，成为制约CO₂电还原走向工业化的关键难题。
针对上述挑战，天津理工大学鲁统部教授和余自友研究员提出了一种全新的高通量膜电极组件（MEA）设计：以具有大孔结构的铜泡沫为骨架，构建Cu/Bi核壳纳米线催化剂，实现液体产物的快速传输与高效催化协同。该体系在无阴极电解液条件下，可直接将CO₂转化为高达4.5 M的甲酸盐溶液，在200 mA cm⁻²工业相关电流密度下，法拉第效率稳定在约90%，连续运行超过8,000小时。同时，通过扩大电极面积至100 cm²，仍可实现2000小时稳定运行，展现出优异的规模化潜力，为CO₂电还原的实际应用提供了重要突破路径。相关成果以“A high-flux membrane electrode assembly for CO2 electroreduction to 4.5 M formate with over 8,000 h stability”为题发表在《Nature Catalysis》上，李静静为第一作者。
高通量电极设计：从“堵塞”到“畅通”的关键转变
图1a展示了传统低通量MEA体系：液体产物在碳纸电极表面不断积累，不仅阻碍CO₂气体传输，还会进一步降低反应效率与稳定性。而在本工作中，研究人员大胆引入铜泡沫替代碳纸（图1b），利用其丰富的大孔结构构建“高通量通道”，使生成的液体产物可以迅速排出体系，从根本上解决“淹没效应”。更直观的数据来自渗透实验（图1c,d）：铜泡沫的液体渗透速率高达12.5 ml s⁻¹，是传统碳纸的约60倍，即使负载催化剂后仍保持显著优势。这种“快速排液”能力避免了盐析和堵塞问题，为后续长时间稳定运行奠定基础。
图1： 高通量MEA设计，对比传统碳纸与铜泡沫在液体传输能力上的巨大差异。
核壳催化剂构建：界面协同提升反应效率
在材料层面，研究团队进一步在铜泡沫表面构建Cu/Bi核壳纳米线结构（图2a）。通过原位生长Cu纳米线并沉积Bi纳米颗粒，形成直径约400–450 nm的核壳结构（图2b,c），并通过元素映射清晰验证其空间分布（图2d）。性能测试显示，这种界面结构显著增强CO₂还原能力：相比单一Cu或Bi催化剂，Cu/Bi在更宽电位范围内实现>90%的甲酸选择性（图2f），最大法拉第效率高达96.8%，同时副反应（析氢）被有效抑制（图2g）。其本质来源于界面协同效应——促进关键中间体*OCHO的形成，从而降低反应能垒。
图2： Cu/Bi核壳纳米线催化剂的制备与结构表征及其高选择性催化性能。
MEA体系性能突破：高浓度与长寿命兼得
在实际电解器中（图3a），该系统直接以干燥CO₂气体作为进料，无需阴极电解液，即可连续生成高浓度甲酸盐溶液。性能数据令人瞩目：在200 mA cm⁻²下，产物浓度达到4.5 M（图3c），远超传统体系；同时，法拉第效率稳定在约90%，并可持续运行超过8,000小时（图3d）。更重要的是，对比传统碳纸电极体系，后者在100小时内即出现明显衰减，而铜泡沫体系几乎无性能下降。这不仅体现了材料设计的优势，也说明“高通量”在工程层面的重要性。
图3： MEA电解器整体性能，包括高浓度甲酸生成与超长稳定性表现。
稳定性机理解析：孔结构决定命运
那么，这种超长稳定性究竟从何而来？图4通过多角度揭示了答案。首先，在产物生成速率方面（图4a-c），3D-Cu/Bi体系表现出稳定线性增长，而传统体系逐渐衰减。进一步研究发现，关键在于孔结构：随着孔径从35 μm增加到190 μm，产物传输能力显著提升（图4d,e）。有限元模拟（图4g,h）给出了更直观的解释：在铜泡沫中，甲酸浓度始终均匀分布（约4–5 M）；而在碳纸中，局部浓度可升至22 M，远超溶解极限，导致盐析堵塞。换句话说，大孔结构不仅提升传输效率，更避免了“自我窒息”。
图4： 稳定性来源解析，揭示孔结构对传质与盐析行为的决定性作用。
规模化验证：从实验室走向实际应用
为了验证实际应用潜力，研究团队将体系放大至100 cm²电极面积（图5a）。结果表明，在更大尺度下，系统依然保持优异性能：在20 A电流（对应200 mA cm⁻²）下，稳定运行超过2000小时（图5d），甲酸生成速率达318 mmol h⁻¹；在更高电流下，产率进一步提升至390 mmol h⁻¹（图5c）。这一结果证明，该设计不仅在实验室条件下有效，也具备向工业规模转化的现实可行性。
图5： 放大至100 cm²电解器的规模化验证及长期运行表现。
总结与展望
总体来看，这项研究通过“结构设计+催化界面+工程优化”的多层协同创新，成功突破了CO₂电还原中长期存在的三大瓶颈——低浓度、低稳定性和难规模化。高通量铜泡沫电极不仅实现了液体产物的快速迁移，更为高浓度产物的连续生成提供了全新思路。未来，这一策略有望进一步拓展至其他液体产物（如醇类、有机酸等）的电催化合成，并推动CO₂资源化利用从实验室迈向产业化。同时，在能源转化与碳中和的大背景下，该工作也为构建“电驱动化学工业”提供了关键技术支撑。
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