三相界面调控在电催化二氧化碳还原反应中的研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250089

摘要/Abstract

摘要：

电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）可高效合成高值化学品与燃料，为缓解大气CO₂浓度上升及可再生能源存储提供重要技术途径。本综述系统梳理了电催化CO₂RR中构建稳定三相界面的研究进展，重点关注增强CO₂传质的调控策略以及影响膜电极/气体扩散电极体系稳定性的解决方案，并探讨了这些策略的适用范围以及对电催化CO₂RR性能的影响。最后，基于三相界面，进一步指出了CO₂RR在面向工业化应用过程中所面临的科学与技术挑战。

关键词: 二氧化碳电还原反应, 三相界面调控, 二氧化碳传质, 体系稳定性

Abstract:

Electrocatalytic CO₂ reduction reaction （CO₂RR） enables efficient synthesis of high-value chemicals and fuels， offering a promising technological pathway for mitigating atmospheric CO₂ accumulation and facilitating renewable energy storage. This review presents recent advances in triple-phase interface engineering， with a particular focus on strategies to enhance CO₂ diffusion and transport， as well as solutions to stability challenges in membrane electrode assemblies and gas diffusion electrode systems. Furthermore， we examine the mechanism and applicability of these strategies in optimizing catalytic activity and operational durability. Finally， we highlight the key scientific and engineering challenges that must be addressed to achieve the industrial deployment of electrocatalytic CO₂RR.

Key words: Electrochemical CO₂ reduction reaction, Triple-phase interface engineering, CO₂ mass transfer, System stability

中图分类号:

O646

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图/表 8

图1 电催化CO2RR的三相界面示意图

Fig.1 Schematic diagram of the three-phase interface in electrocatalytic CO2RR

图2 （A）在催化剂层中分散PTFE纳米颗粒后构建的气液固三相界面示意图［20］；（B） Au/C-F催化剂（Cassie态，上）、Au/C-P-0.5催化剂（Cassie-Wenzel态，中）、和Au/C-P-2.5催化剂（Wenzel态，下）的界面结构示意图［21］；（C） PFSA离聚物层的亲疏水结构示意图［23］

Fig.2 （A） Schematic picture of the constructed solid-liquid-gas TPI by dispersing PTFE nanoparticles inside the catalyst layer［20］；（B） Schematic illustration of three interfacial states represented by Au/C-F （Cassie state， top）， Au/C-P-0.5 （Cassie-Wenzel state， middle） and Au/C-P-2.5 （Wenzel state， bottom） catalyst， respectively［21］；（C） Hydrophilic and hydrophobic characteristics of PFSA ionomers［23］

图3 （A）无CTAB（左）和有CTAB（右）时水的ν-OH振动峰［26］；（B） IPN-PFSA异质催化剂复合层对微环境调控作用的示意图［29］

Fig.3 （A） v-OH vibrational region of H2O without （left） and with （right） CTAB［26］；（B） Schematics of interfacial microenvironment regulation of IPN-PFSA heterogeneous catalyst adlayer［29］

图4 （A）全金属气体扩散增强铜电极示意图［33］；（B）碳纤维结构中孔体和孔喉内CO2浓度分布模拟图［34］

Fig.4 （A） Schematic of an all-metal gas diffusion enhanced Cu electrode［33］；（B） Modelled CO2 volume fraction in the pore body and the pore throat of carbon fabrics［34］

图5 （A） CO2加湿和（B）CO2干燥时，不同气体流速下阴极侧水通量组成［41］；不同厚度低吸水性膜的（C）阴极水积累量和（D）CO选择性［43］

Fig.5 Calculated composition of water flux on the cathode side at different gas flow rates for （A） wet CO2 feeds and （B） dry CO2 feeds［41］；（C） The excess flux of water at cathode and （D） the CO faradaic efficiencies of low water uptake membranes with different thicknesses［43］

图6 （A）再生电位条件下，碳酸根离子向阳极发生电迁移过程［54］；（B）反向偏压双极膜电极示意图［55］

Fig.6 （A） Carbonate migration occurs during cell operation at the regeneration voltage［54］；（B） Schematic of a BPM electrode assembly in reverse-bias configuration［55］

图7 （A）示意图显示，极化后石墨烯可作为铜纳米晶的保护层［65］；（B） -0.61 V（vs.RHE）电位下，计算得到的Cu+/Cu0比值随时间变化图［66］

Fig.7 （A） Schematic picture showing graphene could act as a protective barrier of the CuNCs after polarization［65］；（B） Calculated Cu+/Cu0 ratio as a function of reaction time at -0.61 V（vs.RHE）［66］

表1 CO2电还原的主要产物与传统工艺路线的成本对比

Table 1 Cost comparison of primary products in CO2 electroreduction versus conventional process pathways

Product	Conventional process	Conventional unit cost （USD/ton）	CO₂RR cost （USD/ton）	Outlook
Carbon monoxide （CO）^［69-70］	Steam methane reforming， partial oxidation of methane	150~600	200~600	Near commercial viability； Competitive with some conventional processes
Formic acid （HCOOH）^{［69，71］}	Methanol carbonylation， hydrolysis of methyl formate	200~600	550~1 200	Requires improved catalyst stability and energy efficiency
Ethylene （C₂H₄）^［72］	Naphtha steam cracking	600~1 300	2 300~7 000	High cost limits short-term viability； Long-term potential depends on scale and policy support （e.g.， carbon pricing）
Ethanol （C₂H₅OH）^{［70，73］}	Biological fermentation， ethylene hydration	600~1 000	1 600~4 500	Currently costly； Tandem CO pathways may reduce costs over time

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