催化学报 ›› 2026, Vol. 81: 5-8.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64874-1
Genxiang Wanga,b, Zhiwen Lub, Zhenhai Wenb(
)
摘要:
CO2电还原(CO2RR)是一种具备重大应用潜力的碳中和技术, 但其工业化进程长期受到盐沉积问题的严重制约. 在传统碱性或中性电解体系中, 易发生碳酸盐结晶, 造成气体扩散层堵塞, CO2利用效率下降及系统稳定性减弱等问题; 而酸性条件下, 析氢反应(HER)竞争激烈, 对催化剂与反应器设计提出极高要求. 近年来, 酸性CO2RR在抑制HER、提高反应效率方面取得显著进展, 但仍缺乏系统性解决方案以实现长效稳定运行与真正意义上的工业应用. 本文聚焦酸性CO2RR中盐沉积问题的本质, 结合近年关键进展, 提出将其从“不可控障碍”重新定义为“可工程化调控参数”的思路, 为推进CO2电解技术产业化提供重要参考.
本文系统综述了酸性CO2RR中盐沉淀问题的成因与应对策略, 重点分析了三类代表成果. Sargent课题组通过阳离子增强层与有机官能化策略调控电极-电解质界面微环境, 在强酸中构建局部碱性区, 实现C2+产物高效合成, 但仍面临高浓度阳离子导致的盐沉积和较高槽压的问题. Xia等人利用废铅衍生的稳健催化剂与质子交换膜反应器结构, 以氢氧化反应(HOR)替代析氧反应, 实现了超过5200 h稳定运行和93%的甲酸法拉第效率, 但阴极侧高钾离子浓度仍有潜在的盐沉积风险. Wang等人提出的酸性加湿策略标志着该领域迎来发展转折, 通过将微量挥发性酸(如HCl, HNO3)引入CO2进料气流, 将易沉积的碳酸氢根转化为高溶解性阴离子(如Cl−, NO3−), 在不干扰催化微环境的前提下从根本上抑制盐结晶, 最终在100 cm2电解槽、10 A总电流条件下实现了4500 h连续运行, CO选择性保持在80%−90%, 稳定性提升达56倍. 该方法具有良好的催化剂普适性(Ag, Bi2O3, ZnO, Cu2O等), 且酸蒸气流对膜与电极未见明显损害. 基于上述研究, 本文进一步提出, 将酸性加湿策略与稳健催化剂(如Xia等所开发的废铅催化剂)和先进的反应器设计相结合, 可构建完整且具备工业可行性的CO2电解系统.
展望指出, 未来应重点开发与设备兼容的生物基挥发性酸、设计耐酸和抗离子交叉的膜电极系统、优化热/水/盐管理的多场耦合模拟与原位表征, 并拓展非HOR的高效阳极反应路径, 同时开展全面的经济技术评估. 本文所综述的盐沉淀工程控制策略及其系统集成思路, 为CO2电解技术从实验室走向产业化提供了清晰且具有操作性的技术路径.