电催化二氧化碳还原技术（ECR）是促进绿色电力高效利用和实现碳循环闭合的关键技术方向，但目前膜电极体系通常需在碱液等电解质中运行，易引发盐析问题，严重制约其长期稳定运行，增加成本且产物分离困难。极具潜力的纯水基电解槽虽能解决这一难题，却因碱金属阳离子的缺失而削弱了二氧化碳（CO2）的活化能力，反应动力学慢、选择性差，再加上纯水电导率极低（仅0.055μS cm-1），导致欧姆阻抗偏高、能效受限等问题。

针对上述难题，2月10日，深圳理工大学材料科学与能源工程学院助理教授张小龙团队联合华中科技大学钱立华团队和中国科学院深圳先进技术研究院夏霖团队在Nature Communications上发表了最新成果，他们成功开发出可渗透紧密式膜电极（PIM），攻克了纯水基CO2电解槽的多项技术瓶颈，在宽电流密度范围内实现超90%的CO选择性，能效较传统膜电极组件（MEA）提升1.35倍，相关研究成果为电催化二氧化碳还原技术的工业化应用奠定了重要基础。

论文上线截图

针对纯水膜电极组件界面接触差、物质传输受限的核心问题，张小龙团队创新设计了可渗透紧密式膜电极结构。该技术通过在催化剂层上直接浇铸离聚物溶液，在气体扩散电极上原位形成阴离子交换膜，不仅构建出紧密结合的催化层/膜界面，还让离聚物渗透至催化层内部，形成连续的内部物质传输通道，实现了H2O和OH⁻的高效运输。同时，紧密的催化剂-离聚物界面重构了界面水的氢键网络，将界面强氢键水比例从传统电极的约40%提升至62%，有效加速了关键*COO−中间体的氢化动力学，促进了CO2的活化与转化。

传统MEA和PIM-MEA的结构和传质行为示意图

一系列性能测试结果显示，基于该技术的PIM-Q电极表现出优异的催化性能：

在纯水基CO2电解槽中，50-400mA cm⁻²宽电流密度范围内CO选择性超90%，最高能量效率达43%，碳单程转化率约80%；

在3.2A的大面积ECR电解槽中，该电极可连续稳定运行超200小时，CO选择性始终保持在80%以上。

本研究成功设计的可渗透紧密式膜电极，突破了传统电极在纯水中传质慢、催化活性低、能量效率低的技术瓶颈，为电催化二氧化碳还原膜电极的设计提供了全新研究思路。未来，团队将继续围绕该技术的工业化优化展开研究，推动人工碳循环技术的进一步落地应用。

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