综述：CO2再生位点对电化学CO2还原的影响

这篇综述创新性地探讨了电解槽中CO2再生位点（阳极/电解液/离子交换膜）对CO2电还原（CO2RR）性能的影响机制，提出将CO2再生定位于双极膜（BPM）界面可突破传统阴离子交换膜（AEM）电解槽的CO2单程利用率理论极限（如乙烯25%），同时避免金属阳离子依赖和盐沉积问题，为设计高性能CO2电解系统提供了离子流管理新范式。

　　

CO₂捕获与电解的协同困境

电化学CO₂还原反应（CO₂RR）虽能转化CO₂为高附加值化学品，但电解过程中伴随的电化学CO₂捕获导致严重问题：阴极区OH^-与CO₂自发形成碳酸盐（CO₃^2-/HCO₃^-），不仅造成电极孔隙堵塞，更使CO₂单程利用率受限于反应计量比（如乙烯合成仅25%）。

再生位点的三重博弈

• 阳极再生：传统AEM电解槽中碳酸盐迁移至阳极与H⁺反应再生CO₂，虽可通过纯水进料（如季铵化聚醚醚酮QAPEEK膜）缓解盐沉积，但无法避免CO₂/O₂混合气分离成本。

• 电解液再生：酸性流动池（如1M H₃PO₄+3M KCl）通过体相质子再生CO₂实现77%碳效率，但K⁺等阳离子在高压操作中仍会引发KHCO₃沉积（XRD证实）。

• 膜界面再生：双极膜（BPM）系统通过水分解（WD）催化剂（如TiO₂）在阳离子交换层（CEL）界面精准再生CO₂，三明治结构微通道膜（如含Dowex树脂的固体电解质）可实现90% CO₂回收率，且C₂H₄法拉第效率达46%。

技术突破与挑战

前沿研究通过扭曲结构设计（如m-三联苯骨架）开发高导电微孔AEM（OH^-电导率217mS/cm），结合高效WD催化剂（纳米SnO₂使过电位降至41mV@1A/cm²），显著降低BPM电解槽电压。但C₂₊产物选择性仍是瓶颈，非晶铜催化剂（66.3%乙烯FE）和Al掺杂铜（55.2%醇类FE）等新材料体系正在突破极限。

商业化路径展望

当前BPM电解槽的3-5.5V高工作电压导致乙烯生产成本达7.09美元/千克，未来需通过以下路径优化：①开发耐溶胀的异质结构BPM解决分层问题；②设计氧亲和金属掺杂催化剂提升C₂产物单一选择性；③耦合可再生能源电力降低能耗成本。这种"膜定位再生"策略为碳中性化学合成提供了兼具高利用率与长寿命的电解方案。