近日，莱斯大学一组研究人员发现了一种令人惊讶的简单方法，可显著提高将二氧化碳转化为有用燃料和化学物质的电化学装置的稳定性，相关研究成果发表在《科学》杂志上。这一发现为二氧化碳电解技术的发展带来新契机，有望推动碳捕获和利用战略在工业规模上的部署。

电化学二氧化碳还原(CO₂RR)是一种新兴绿色技术，它利用电力(最好来自可再生能源)，将导致气候变暖的二氧化碳转化为一氧化碳、乙烯或酒精等有价值的产品，这些产品可进一步提炼成燃料或用于工业过程，实现将主要污染物转化为原料。然而，系统稳定性较差一直是阻碍其实际应用的主要问题，其中碳酸氢钾盐在气体流道中的积累尤为突出。在高pH条件下，钾离子从阳极电解液穿过阴离子交换膜迁移到阴极反应区并与二氧化碳结合，就会导致盐的积聚，进而堵塞气体流动通道，降低效率并导致设备过早失效。

“盐沉淀会阻碍二氧化碳的输送，并淹没气体扩散电极，从而导致性能故障。”该研究的通讯作者、莱斯大学化学和生物分子工程、材料科学和纳米工程和化学副教授王浩天表示，“这通常会在几百小时内发生，这与商业可行性相去甚远。”

为解决这一问题，莱斯大学研究团队尝试了一项巧妙改进。他们不再用水来加湿输入反应堆的二氧化碳气体，而是让气体通过盐酸、甲酸或乙酸等酸性溶液进行鼓泡。酸产生的蒸汽以微量被带入阴极反应室，刚好足以改变局部化学性质。由于这些酸形成的盐比碳酸氢钾溶解性强得多，因此不会结晶并堵塞通道。

效果十分显著。在使用银催化剂(将二氧化碳转化为一氧化碳的常用基准)的测试中，该系统在实验室规模的设备中稳定运行超过2000小时，在100平方厘米的放大电解槽中稳定运行超过4500小时。相比之下，使用标准水加湿CO₂的系统在约80小时后就会因盐分积聚而失效。

值得一提的是，酸湿法已被证明对多种催化剂类型有效，包括氧化锌、氧化铜和氧化铋，这些催化剂均用于不同的二氧化碳反应产物。研究人员还证明，该方法可在不影响性能的情况下进行扩展，大型设备能够保持能源效率，并避免长时间盐堵塞。

通过保持较低的酸浓度，通常对氯化物敏感的阴离子交换膜的腐蚀或损坏也能最小。该方法还与常用的膜和材料兼容，增强了其与现有系统集成的潜力。

为实时观察盐的形成过程，该团队使用了定制的带有透明流板的反应器。在常规水加湿条件下，盐晶体在48小时内开始形成;而在酸性加湿的二氧化碳条件下，即使经过数百小时也没有观察到明显的晶体积聚，任何细小的沉积物最终都会溶解并被带出系统。

“使用传统的水加湿二氧化碳方法可能会导致阴极气体流动通道中形成盐。”莱斯大学化学和生物分子工程博士后研究员、共同第一作者邵云浩说道，“我们假设并证实，酸性蒸汽可以溶解盐，并将低溶解度的KHCO₃转化为溶解度更高的盐，从而改变溶解度平衡，避免堵塞，同时又不影响催化剂的性能。”

共同第一作者、莱斯大学化学和生物分子工程研究生艾哈迈德·埃尔加扎尔表示：“这是二氧化碳电解的一个重大发现。我们的方法解决了一个长期存在的障碍，成本低廉，易于实施。这是朝着使碳利用技术更具商业可行性和可持续性迈出的一步。”

该方法简单，仅需对现有的加湿装置进行微小调整，无需大规模重新设计或增加成本即可采用，为更耐用、可扩展的二氧化碳电解器打开了大门。

更多信息：Shaoyun Hao 等，《酸湿二氧化碳气体输入实现稳定的电化学二氧化碳还原反应》，《科学》(2025)。