第一作者：张进
通讯作者：钟苗教授
通讯单位：南京大学现代工程与应用科学学院
论文DOI：10.1002/anie.202502690
以水为质子源，电还原一氧化碳（CO）合成化学品原料（如乙烯，C
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）具有经济性且环境友好性，展现出大规模应用的潜力。针对高反应电位和低法拉第效率（FE）限制能量效率（EE）的问题，本工作设计了一种高活性位点密度的纳米网络电极结构，在25 cm
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膜电极组件中可将COR全电池电位降至1.87 V，电流达4 A，并实现了>50%
C
2+
EE（FE为90±1%）和>40% C
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EE（FE为71±1%）。此外，该电极结构能够稳定运行超150小时，同时验证了类似设计在CO
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电还原中的广泛适用性。
近年来，CO电还原（COR）技术因能在温和条件下利用CO和H
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O合成C
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而受到关注。然而，该技术面临高反应电位和低法拉第效率的挑战，导致能量效率偏低。研究表明，低体积交换电流密度和中间体表面反应受限是制约COR性能的关键因素。为此，本研究构建了量化反应-传输模型，分析COR效率低的原因，并基于此设计了一种高活性位点密度的PTFE@C/Nafion
TM
@Cu
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O–Cu
NSs/Cu/PTFE电极用于高效CO电还原制乙烯。
1. 本工作设计的高活性位点密度纳米网络电极结构，能够提升电催化体积交换电流密度（i
0
S*），并降低高电流密度下运行电位，在CO电还原（COR）中，当电流密度为150 mA/cm
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时，全池电位可降低至1.87 V，实现CO电还原（COR）到多碳产物（C
2+
）>50%和C
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>40%的全池能量效率。
2. 采用Nafion
TM
包裹的纳米级间距为30–300 nm的Cu
+
–Cu纳米片催化剂，能够促进烯酮中间体在催化剂表面“吸附-脱附-再吸附”机制，抑制烯酮与碱性电解液反应生成副产物乙酸盐，从而提高CO转化为C
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的选择性。在强碱性电解液中，25 cm
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的膜电极和4 A电流下，C
2+
法拉第效率达90±1%，C
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法拉第效率达71±1%，且稳定运行超150小时。
3. 构建定量的反应-传输模型，通过能量效率指示符（（i
0
S*/ρ
lq
）
−1/2
）和乙烯/乙酸选择性描述符（1−exp（−b/S*）），明确了C
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和乙酸选择性的量化关系。
图1通过实验数据和示意图展示了CO转化为C
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和C
2+
产物的过程，研究表明，通过设计具有高活性位点密度的纳米网络电极结构，可以降低反应过电位，实现>50% C
2+
和>40% C
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的全池能量效率。此外，Nafion
TM
包裹的Cu
+
–Cu纳米片催化剂之间的纳米级间距促进烯酮中间体在催化剂表面“吸附-脱附-再吸附”机制，提高了C
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的选择性。
图1 利用动态表面反应机制构建高活性位点密度的纳米网络气体扩散电极。
图2提出了能量效率（(i
0
S*/ρ
lq
)
−1/2
）和乙烯/乙酸选择性描述符（1−exp（−b/S*）），展示了全池C
2+
能量效率（EE）、选择性与电极结构的关系。两种描述符能够解释本项工作及已报道文献中电还原CO的电极结构与能量效率以及乙烯/乙酸选择性的关系。
图2 定量相关性来描述能量效率（EE）和选择性。
图3分析了分层PTFE@C/Nafion
TM
@Cu
2
O–Cu
NSs/Cu/PTFE电极在COR中的能量贡献。图3a–c展示了电极结构、等效电路和横截面FIB-SEM图像。图3d–e表明，高i
0
S*和低ρ
lq
降低了C
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起始电位和过电位。图3f显示，优化后的电极在高电流密度下实现了更高的C
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部分电流密度和阴极COR能量效率。
图3 分层PTFE@C/Nafion
TM
@Cu
2
O–Cu
NSs/Cu/PTFE电极的结构示意图、等效电路图、横截面FIB-SEM图像，以及C
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起始电位、模拟过电位和阴极COR能量效率。
图4展示了PTFE@C/Nafion
TM
@Cu
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O–Cu
NSs/Cu/PTFE电极在25 cm
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膜电极装置下的COR性能，优化后的催化剂和电极实现了1.87 V全池反应电位，在150 mA cm
−2
下（反应电流4A）实现了71%的C
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H
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选择性、41%的能量效率、91%的C
2+
产物选择性、超过50%的能量效率。
图4 在25 cm
2
MEA电解槽中使用PTFE@C/Nafion
TM
@Cu
2
O–Cu NSs/Cu/PTFE电极的COR性能。
本工作通过开发一种高效纳米网络电极，实现了高效的CO电还原（COR）制乙烯，该电极在纳米网络电合成空间中具有高密度活性位点和活性离子聚合物包覆的纳米级间距高活性Cu
2
O–Cu反应界面。这种设计提高了体积COR至C
2+
能量效率和CO至C
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选择性，通过建立高效的反应-传输框架和两个描述符，即 (i
0
S*/ρ
lq
)
−1/2
和 1−exp(−b/S*)，建立了体积位点密度、位点活性、位点间间距与反应能量效率和选择性关系。这种方法可以应用于其他电催化体系，用于制备高价值化学品。
张进
，博士毕业于南京大学，现于南京大学现工院钟苗教授课题组从事博士后研究。主持国家自然科学基金委员会青年科学项目1项，参与国家自然科学基金委员基金会重大研究计划等2项，以第一或通讯作者在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Inter. 等学术刊物上发表论文10篇，他引1170余次。
钟苗
，南京大学现工院教授，博士生导师，一直从事电催化小分子活化、电化学能源材料与器件、催化材料开发的研究工作。
Jin Zhang, Haoyang Jiang, Xiaotong Zhao, Zhaoyang Liu,
Le Li, Weiping Ding, Miao Zhong. Energy Efficiency Limit in CO-to-Ethylene
Electroreduction and Method to Advance Towards. Angew. Chem. Int. Ed. 2025,
e202502690.
https://doi.org/10.1002/anie.202502690
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