在CO₂还原过程中使用酸性电解质可避免昂贵的碳酸盐损失，然而酸性电解槽的能效一直受到高产氢和高操作电位的限制。研究发现这是由于催化剂表面缺乏碱阳离子，限制了CO₂和CO的吸附。在酸供膜电极组装系统中，由于没有流动的阴极电解质，这些阳离子的掺入具有挑战性。

2024年10月4日，加拿大多伦多大学机械与工业工程系David Sinton院士团队在Nature Synthesis期刊发表题为“Carbon- and energy-efficient ethanol electrosynthesis via interfacial cation enrichment”的研究论文，团队成员Ali Shayesteh Zeraati、李丰、Tartela Alkayyali、Roham Dorakhan为论文共同第一作者，David Sinton院士为论文通讯作者。

李丰，加拿大多伦多大学机械与工业工程系博士后，专注于计算电化学和二氧化碳捕集等研究；2017年硕士毕业于中国计量大学光学与电子科技学院，导师：舒海波教授，期间赴悉尼大学访问交流学习；2022年博士毕业于加拿大滑铁卢大学，导师：Anna Klinkova教授；2022年9月至今于加拿大多伦多大学从事博士后研究，合作导师：David Sinton院士。

David Sinton，加拿大多伦多大学机械与工业工程系教授，加拿大工程院院士，气候正能量机构战略倡议（Climate Positive Energy）学术带头人，专注于可再生燃料（二氧化碳电催化）、工业流体（开发流体测试系统以用于筛选可再生能源领域各种应用的混合液）、微流体生物技术（全因子筛选）等研究。

该研究设计了一种界面阳离子基质（ICM）-催化剂异质结，可直接附着在催化剂层上。ICM带有负电荷，可提高阴极表面附近的碱阳离子浓度，捕获生成的氢氧根离子。这增加了局部电场和pH值，提高了多碳产量。将ICM策略与定制的铜银催化剂相结合，可以通过质子溢出机制实现选择性乙醇生产。研究结果表明，在200 mA cm^-2的条件下，CO₂转化为乙醇的法拉第效率为45%，碳效率为63%，全电池乙醇能效为15%（比之前的最佳酸性CO₂还原值提高了3倍），每吨乙醇的能源成本为260 GJ，是目前已报道的乙醇生产CO₂电解槽中最低的。

该研究目标是通过CO₂电催化技术生产具有高碳效率和EE_ethanol的乙醇。在使用酸性溶液的正向偏压双极膜（f-BPM）MEA中，研究发现阴极表面缺乏碱阳离子（如K⁺）会限制CO₂或CO在Cu上的吸附，从而导致高HER和低EE_ethanol。导致性能降低的另一个原因是氢氧根离子从阴极表面迁移到BPM的阴离子交换膜（AEM）-CEM界面，从而降低了阴极的碱度，从而削弱了C-C耦合（生成C₂₊产物的关键步骤）。为了克服这些挑战，研究人员开发了一种界面阳离子基质 （ICM）-催化剂异质结，以富集催化剂表面的碱阳离子，并捕获局部生成的OH-，从而在200 mA cm^-2时，CO₂R产物的选择性FE_CO2R≥90%，HER FE ≤10%。将ICM策略与专为乙醇电生产设计的Cu-Ag催化剂相结合，同时实现了63%的碳效率，15%的全电池EE_ethanol和每吨乙醇260 GJ的总能源成本。

总之，该研究提出了一种用于酸供MEA电解槽的催化剂微环境设计原理。研究结果表明，在催化剂表面富集碱阳离子的同时，利用ICM策略捕获局部生成的 OH^-，可在酸供MEA电解槽中同时实现高能效（对C₂₊产物为25%）和高碳效率（61%）。通过设计Cu-Ag催化剂和实施ICM策略，在MEA电解槽中实现了乙醇的电合成，其FE为45%，碳效率为63%，每吨乙醇的能源成本为260 GJ。该研究展示了CO₂转化为乙醇的过程，其性能接近工业标准。

内容引自“生化环材人”微信公众号10月5日推送《院士领衔！最新Nature Synthesis！中国计量大学90后校友/滑铁卢大学博士/多伦多大学博后共同一作》