温度调控零间隙CO2电解槽性能：从选择性到稳定性的多维度机制解析

本研究针对零间隙膜电极组装（MEA）电解槽中温度对CO2电化学还原（CO2RR）的关键影响展开系统性探究。通过银（Ag）和铜（Cu）催化剂模型，揭示了30°C-70°C温度区间内反应选择性、活性及稳定性的动态变化规律，结合原位拉曼光谱与水平衡模型阐明了温度通过调控*CO中间体吸附构型、局部pH及水传输影响反应路径的机制。该研究为工业级CO2电解槽的温控优化提供了理论依据，发表于《Cell Reports Physical Science》。

　　

在全球碳中和背景下，电化学CO₂还原（CO₂RR）技术被视为将温室气体转化为高附加值化学品的关键路径。其中，零间隙膜电极组装（MEA）电解槽因其高能效特性成为工业应用的热门选择。然而，现有研究多聚焦于催化剂开发与器件设计，对温度这一关键参数的认知仍存在显著空白——温度如何通过复杂界面过程影响反应路径？不同催化剂是否存在最优温控区间？这些问题直接制约着电解槽的规模化应用。

为破解这一难题，南开大学罗景山团队在《Cell Reports Physical Science》发表研究，首次从多尺度揭示了温度对MEA系统中CO₂RR的全方位影响。研究选取Ag和Cu两类典型催化剂，通过精密控温实验（30°C-70°C）结合先进表征技术，构建了温度-性能-机制的完整关联图谱。

关键技术方法

研究采用磁控溅射法制备Ag/Cu气体扩散电极（GDE），在自制MEA电解槽中开展恒电流测试（50-200 mA/cm²）。通过气相色谱（GC）和高效液相色谱（HPLC）定量产物分布，利用原位拉曼光谱捕捉*CO中间体动态变化，建立水平衡方程量化阴极水累积量。电化学阻抗谱（EIS）用于解析膜导电性随温度的变化规律。

温度驱动的选择性演变

实验数据显示温度对产物法拉第效率（FE）的影响呈现三类规律：乙烯/乙醇等C₂₊产物随温度升高线性下降，CO在50°C-60°C出现峰值，而甲酸盐选择性保持稳定。拉曼光谱揭示关键机制：低温（30°C）下Cu表面低频*CO_atop中间体（2050 cm^-1）占比更高，促进C-C耦合；Ag表面HCO₃^-/CO₃^2-峰面积比随温度升高而增大，表明局部碱性环境减弱。

活性提升的共性规律

电解槽电压随温度升高持续降低，70°C时Cu/Ag体系电压分别降至3.59V和3.61V。EIS分析表明该现象主要源于阴离子交换膜（AEM）电导率提升（30°C:20.1 Ω/cm² → 70°C:14.7 Ω/cm²），超越金属催化剂本身的阻抗变化。

稳定性边界的双机制

Ag催化剂在60°C获得420小时超长稳定性，失效主因是阴极碳酸盐沉积阻塞CO₂传输；Cu催化剂则在50°C达18小时最佳运行时间，接触角测试证实其失效源于液态有机产物破坏GDE疏水性。水平衡模型计算显示，Ag/Cu体系分别在60°C和50°C时阴极水累积量趋近于零，印证了"水淹效应"的阈值温度。

这项研究建立了温度与CO₂RR性能的定量关系图谱，提出催化剂特异性温控策略：Ag基电解槽宜在60°C运行以实现CO高效生产，Cu基系统则需控制在50°C以优化C₂₊产物输出。该成果不仅深化了对电催化界面过程的理解，更为工业电解槽的智能温控系统开发提供了关键设计参数，推动CO₂转化技术向实际应用迈出重要一步。