编辑推荐：
为解决气体扩散电极（GDEs）在电化学二氧化碳还原（eCO2R）中稳定性差的问题，研究人员开展金属 - 有机双层（MODL）方案研究。结果显示，该方案使电极多碳法拉第效率达 91.2 ± 3.8% ，稳定运行超 300h，为可持续电解技术提供新思路。
在全球致力于实现碳中和的大背景下，电化学二氧化碳还原（
eCO2R）技术成为了科研领域的热门研究方向。它就像一把神奇的钥匙，有望利用可再生能源将二氧化碳转化为有价值的化学品，从而实现碳循环的闭合。想象一下，二氧化碳不再是导致全球变暖的 “罪魁祸首”，而是能被转化为各种有用的物质，这是多么令人期待的场景。
然而，目前这项技术在走向工业化的道路上却困难重重。其中，气体扩散电极（GDEs）的稳定性问题尤为突出，就像是一座难以翻越的大山，阻挡着该技术的大规模应用。GDEs 通常由疏水碳纸或 PTFE 膜制成的基底气体扩散层和微孔覆盖层组成，在微孔覆盖层上沉积铜基催化剂，以实现多碳（C2+）产物的生成。但在实际运行过程中，腐蚀、水淹、分层、盐析等问题频发。例如，盐析问题会导致原位生成的氢氧化物与二氧化碳反应，形成大量碳酸盐 / 碳酸氢盐沉淀，这些沉淀会堵塞 GDE 的气体渗透通道，限制二氧化碳的传质，进而加剧析氢副反应（HER）和水淹问题。
为了攻克这些难题，苏州大学的研究人员挺身而出，开展了一项具有创新性的研究。他们提出了一种金属 - 有机双层（MODL）方案，旨在重新设计eCO2R系统中的双电层结构，实现对静电特性和化学微环境的精确调控。研究人员通过静电纺丝技术，在铜涂层的气体扩散电极上覆盖了一层聚阳离子鞘，成功制备出具有高性能的电极。
这项研究取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Nature Communications》上。在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。结构表征方面，利用扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面形貌和微观结构，借助傅里叶变换红外光谱（FT - IR）分析化学功能，采用接触角测量仪测定接触角；原位表征上，运用原位衰减全反射表面增强红外光谱（ATR - SEIRAS）和原位电化学拉曼光谱技术，实时监测反应过程；电化学测试时，通过碱性流动池和膜电极组件（MEA）进行电化学测量，并利用气相色谱和核磁共振（NMR）对产物进行分析；此外，还通过从头算分子动力学（AIMD）计算，深入探究反应机理。
电纺聚阳离子鞘稳定碱性流动池中的eCO2R
研究人员首先模拟了在有无阳离子阻挡层的情况下，电极表面K+的扩散情况。结果发现，阳离子阻挡层能有效降低电极表面附近的K+浓度。基于此，他们通过静电纺丝制备了一系列季铵化聚乙烯醇（PVAQA）薄膜，并将其应用于eCO2R的研究。实验结果表明，PTFE/Cu/PVAQA54电极在总电流密度为300 mA cm?2时，所有C2产物的法拉第效率高达 91.2 ± 3.8% ，C2H4的法拉第效率在较宽电流范围内高于 60% ，且在碱性流动池中能稳定运行超过 300h。这一性能在文献报道中处于领先水平，满足了工业eCO2R催化剂的技术经济要求。
MODL 中聚阳离子的静电作用
为了深入研究季铵根（QAs）在eCO2R中的作用，研究人员对PVAQA薄膜的参数进行了优化。通过对比PTFE/Cu/PVAPA（不含 QAs 的对照样品）和PTFE/Cu/PVAQA54电极的性能发现，QAs 能有效促进C?C耦合，提高C2产物的选择性和稳定性。例如，在较低电位下，PTFE/Cu/PVAPA电极产生大量CH4和H2，而PTFE/Cu/PVAQA54电极上乙烯和乙醇占主导。此外，PVAQA能有效阻挡K+离子通过 PTFE 膜，降低K+的电导率，减少盐析现象的发生。
季铵根和羟基含量的定量研究
进一步的定量研究表明，随着 QAs 含量的增加，eCO2R的活性和动力学得到改善，能在更低电位下实现高效的C?C耦合。同时，研究人员还发现，聚乙烯醇（PVA）中的羟基对提高eCO2R活性和C2产物生成也有积极作用。PVA中羟基含量越高，C2的法拉第效率越高。这充分说明了 QAs 和羟基在促进C?C耦合过程中具有协同效应。
AIMD 计算揭示季铵根和羟基的协同作用
通过 AIMD 计算，研究人员发现PVAQA中的 QAs 和羟基能协同作用，增强局部电场，促进水的极化吸附和氢键网络的形成，从而降低C?C耦合的反应自由能和能垒，提高C2产物的选择性。在Cu/PVAQA/H2O界面，C?C耦合反应的ΔG和ΔG=明显低于Cu/PVAPA/H2O界面，这与实验结果高度吻合。
纯水 MEA 中的eCO2R
受Cu/PVAQA54界面在无K+参与时仍能保持高C2选择性的启发，研究人员将PVAQA应用于纯水 MEA 中。实验结果显示，在200 mA cm?2的电流密度下，CP/Cu/PVAQA54电极的C2H4法拉第效率达到 53.0 ± 1.4% ，并能持续运行超过 20h。尽管 MEA 在长时间电解后会出现降解，但该体系的能量效率和二氧化碳利用率均优于流动池。
综上所述，本研究通过电纺阳离子聚合物到铜电极表面，成功解决了 GDE 的稳定性问题，并创建了 MODL 用于静电和微环境调控。研究表明，QAs 和羟基的协同作用能有效促进C?C耦合，提高多碳合成的选择性和稳定性。该研究为电化学二氧化碳还原技术提供了一种简单而有效的策略，为实现工业化生产多碳产物奠定了坚实基础。未来，研究人员将进一步优化电极结构和工艺参数，提高电流收集效率，推动该技术的实际应用。
