综述：构建可持续的二氧化碳电解槽

这篇综述系统阐述了电化学CO2还原（eCO2R）技术的最新进展，重点分析了电解槽（MEA/H-cell/flow cell）的核心组件（GDL/AEM/BPM）及其性能参数（FE/SPCE/电流密度）。作者团队提出通过人工智能（AI）优化碳捕获与转化（CCUS）的协同策略，为工业级CO2电解系统设计提供了跨学科解决方案。

　　

可持续CO₂电解槽的构建艺术

电化学转化的战略意义

全球碳排放危机催生了电化学CO₂还原技术的蓬勃发展。通过耦合可再生能源电力，该技术可将顽固的CO₂分子转化为CO、甲酸、乙烯等高值化学品，实现"碳负排放"的闭环循环。研究表明，Ag催化剂在碱性条件下可实现94%的CO选择性，而Cu基材料能生成C₂₊产物如乙烯（FE=63%）。

电解槽架构的进化之路

H-cell的简易设计适合催化剂初筛，但受限于CO₂溶解度（0.034M）。突破性进展来自流动电解槽，其气体扩散电极（GDE）使电流密度突破200mA/cm²。更先进的膜电极组件（MEA）消除了电解液干扰，Endrodi团队首次实现1A/cm²的工业级电流输出。

膜材料的离子密码

阴离子交换膜（AEM） Sustainion^?展现95-99%的CO选择性，但面临碳酸盐交叉难题。新型聚咔唑膜（HQPC-tmIM）在150小时测试中保持稳定，而双极膜（BPM）通过水解离层实现pH调控，将能量损耗降低30%。计算模型揭示，当膜含水量达11%时欧姆损耗骤降4倍。

气体扩散电极的微观战场

碳纸基GDL的孔隙梯度设计直接影响质量传递。研究团队发现20%PTFE含量的微孔层（MPL）可有效抗 flooding。通过超声喷涂制备的Ag催化剂层，乙醇溶剂体系展现出最优性能（FE_CO=90%@200mA/cm²）。XCT技术显示，53%孔隙率的电极可实现最佳CO₂通量。

性能参数的工业标尺

单程转化效率（SPCE）成为产业化瓶颈，酸性MEA体系通过抑制碳酸盐形成将SPCE提升至90%。法拉第效率的冠军属于Bi₂O₃/N-CNF催化剂（FE_甲酸=97.4%）。而稳定性纪录由Pb基催化剂保持——在酸性PEM中连续运行5,200小时。

故障模式与对策

碳酸盐结晶（KHCO₃溶解度仅1.6M）可通过Cs⁺替代改善。GDE flooding问题被新型气体覆盖液膜电极（GFLCE）攻克，其局部CO₂浓度提升3倍。令人意外的是，周期性电压脉冲可清除电极表面聚合物副产物。

替代阳极反应的革命

用甘油氧化（GOR）替代析氧反应（OER）可降低53%能耗，而5-羟甲基糠醛（HMF）转化能同步生产高值FDCA。氯碱工艺的集成更开辟了CO₂→光气的新路线。

智能设计与未来展望

机器学习（ML）指导的Cu-Al金属间化合物实现80%乙烯选择性。多物理场模型揭示，流道设计中的"流体火山效应"直接影响产物分布。生物启发的叶脉流场使质量传递效率提升40%，为下一代电解槽设计指明方向。

该技术正迈向"反应性碳捕获"新纪元——PiperION膜与碳酸氢盐电解的联用系统，将捕获与转化合二为一。随着3D打印等先进制造技术的引入，CO₂电解槽的工业化进程已进入加速通道。