分层电极结构设计实现稳定高效电催化CO2还原及电解水制氢

1. 痛点问题

电化学转化二氧化碳（CO₂）为高值化学品或电解水制氢，为可再生电能存储和化学品绿色合成提供了一种有效途径。目前，碱槽电解和质子交换膜（PEM）电解技术能实现较大电流密度和较高能量效率，受到了广泛的关注。但在强酸或强碱的长时间反应条件下（1000 − 10000小时以上），催化剂易被腐蚀失活，导致电化学性能迅速恶化，严重降低了电还原CO₂和电解水制氢的能量效率和稳定性。

2. 解决方案

针对在长时间工况条件下，电催化剂易失活的核心痛点问题，本项目的主要解决方案是：

（1） 通过电催化剂组分设计，形成具有氧化还原可调性质的表面自稳定催化剂，最大限度抑制强酸或强碱环境中催化剂腐蚀问题，提升高活性催化剂的稳定性。

（2） 通过分层电极结构构筑，调控催化剂表面离子浓度分布（K⁺等），调节反应界面局域pH，进一步实现强酸条件下CO₂还原的高活性、高能量效率、高CO₂利用率以及长稳定性。

3. 竞争优势分析

项目研究成果阐明了催化剂设计和分级电极结构构建是稳定调控催化剂表面活性位点结构以及反应局域微环境的有效手段，使电催化剂在强酸或强碱性环境中能稳定高效电还原CO₂或应用于电解水制氢。

(1) 已证明采用催化剂组分设计，构建表面自稳定的氧化还原性质可调的合金催化剂体系，可以在2400小时以上稳定电还原CO₂产甲酸盐，在100 mA cm⁻²的电流密度下，实现了甲酸95%以上的选择性，70%阴极能量效率和55%全电池效率。该催化剂设计方法能够普适地应用于电解水制氢。

(2) 已证明分层电极结构设计策略应用于SnBi、Ag、Cu等不同催化剂表面，均能实现强酸环境下，高效稳定电还原CO₂产甲酸、CO、多碳产物等。以电还原CO₂产甲酸为例，分层电极结构能实现在100 mA cm⁻²的电流密度下，甲酸法拉第效率为90%，单次碳转化效率为76%，能稳定持续运行300小时以上。

(3) 已证明分层电极结构（含SiC-Nafion™表面涂层）是一种独特而普适地能够有效防止催化剂重构的策略，并能够显著提高CO₂R在强酸和强碱环境中的反应活性和稳定性，在反应数百小时甚至数千小时后的催化剂形貌和电化学性能仍被很好的保持。

(4) 已证明使用分层结构电极策略可用于不同的电解器件中：包括酸性PEM电解器、含固态电解质的膜电极电解槽、含阴离子交换膜的碱性电解槽，均实现了优异的电还原CO₂制甲酸、CO、乙烯等的性能。上述催化剂设计策略和分层电极结构设计，对提高电解水制氢的稳定性也具有普适性。

例：有无SiC-Nafion^TM表面涂层的中性、碱性和酸性电解质中CO₂电还原的示意图