如何让二氧化碳变燃料的装置更高效：一种新型电极材料的秘密

膜电极组件（MEA）作为一种先进的电化学装置，在高效二氧化碳转化和制备高价值多碳（C2+）产物方面具有潜力。一氧化碳还原反应（CORR）作为二氧化碳电解的关键步骤，在碱性环境中具有较高的运行稳定性，因此出现了先通过两电子转移高效生成一氧化碳，再将其供给碱性MEA合成多碳产物的级联转化路线。然而，目前在全电池中如何同时维持阴极和阳极的高局部碱度尚缺乏认识，这给高电流密度下实现高效的一氧化碳到多碳产物转化带来了挑战。

在传统的流动电池中，阴极电解液中的氢氧根离子（OH⁻）可通过扩散到达阴极，提高电解液碱度能促进多碳产物生成。但在无阴极电解液的MEA构型中，阳极电解液的OH⁻通过阴离子交换膜（AEM）向阴极的传输受到限制。同时，在电场作用下，原位生成的OH⁻会向阳极迁移，导致阴极局部碱度下降；而阳极的析氧反应（OER）需要消耗OH⁻，但本体OH⁻通过阴离子交换离聚物（AEI）向阳极的迁移不足以支撑高电流密度下的OER，导致反应动力学缓慢和能量效率低。因此，在全电池中同时限制阴极原位生成的OH⁻并富集阳极本体OH⁻是实现高电流密度下高效一氧化碳到多碳产物转化的关键。

本研究提出了一种二氧化硅限域电催化剂设计策略，以维持全电池中阴极和阳极的高局部碱度。具有亲电性的硅原子的空3d轨道对OH⁻的孤对电子有很强的配位能力，这种强路易斯酸碱相互作用能够有效调控OH⁻的动态传输。该策略首先在铜/二氧化硅（Cu/SiO₂）阴极上得到验证，通过限制原位生成的OH⁻从阴极向阳极迁移，促进了阴极多碳产物的生成。将该策略扩展到钴/二氧化硅（Co/SiO₂）阳极，则增强了本体OH⁻从阳极电解液向阳极的迁移，改善了阳极OER性能。

实验结果表明，所制备的Cu/SiO₂阴极在无阴极电解液的MEA构型中，即使在900毫安/平方厘米的高电流密度下，多碳产物的选择性仍保持在80%以上，远高于纯铜阴极。Co/SiO₂阳极则表现出优异的OER活性，在高过电位下性能优于广泛使用的贵金属氧化铱（IrO₂）。将Cu/SiO₂阴极和Co/SiO₂阳极集成后，全电池在900毫安/平方厘米的工业级电流密度下，多碳产物的能量效率达到30.6%。

这项研究揭示了在全电池层面调控OH⁻动态传输对提升一氧化碳电还原性能的重要性，提出的基于路易斯酸碱相互作用的二氧化硅限域策略不仅为优化膜电解装置提供了有效方法，也为涉及质子耦合电子转移的电解过程（如水电解、电化学合成氨等）提供了普适性的科学指导。