本研究由南京大学现代工程与应用科学学院、固体微结构物理国家重点实验室及前沿科学中心的刘朝阳、江浩洋、李志聪、肖永成、李乐、张晋、郭盛以及钟苗（通讯作者）等人共同完成，并于2026年1月2日发表于《Journal of the American Chemical Society》上。
这项工作的学术背景是基于对可持续、低碳电合成路径的迫切需求。将廉价的碳酸氢盐通过电化学方式转化为工业上重要的一碳化学品，如CO和甲酸，是一种极具前景的方案。传统的纯CO₂电解依赖于高纯度CO₂，其获取过程（如煅烧和加压）能耗高昂。而碳酸氢盐可直接来源于工业烟气捕获，能量需求极低。然而，碳酸氢盐的电解面临两个根本性挑战：首先，在电解过程中，碳酸氢根离子需在酸性环境下分解产生CO₂，但CO₂在电解液中的溶解度极低，导致催化剂表面的CO₂浓度严重不足；其次，强酸性条件会加剧竞争性的析氢反应（hydrogen evolution reaction, HER），并导致催化剂降解。因此，该研究的核心目标是克服CO₂传输限制和酸性微环境问题，以期实现高效、稳定的碳酸氢盐电解，使其性能能够媲美传统的气体扩散电解。
为了实现该目标，研究团队设计并构建了一种分层式电极结构，其核心创新是在双极膜（bipolar membrane, BPM）和Ag催化剂层之间，引入了一层厚度为5至15微米的、由Nafion离聚物和碳化硅无机纳米颗粒（SiC NPs）组成的复合涂层（Nafion−SiC）。这项设计的精妙之处在于其构建了气体-液体双渗透通道。具体工作流程和验证方法如下： 研究首先通过一系列精细的电极制备步骤构建了分层电极。他们以导电碳纤维为基底，溅射一层约3微米厚的Ag层以确保电子传导，随后喷涂一层约3微米厚的Nafion包裹的Ag纳米颗粒（Nafion−Ag NPs）作为催化剂层，最后在其上喷涂5至15微米厚的电绝缘Nafion−SiC纳米颗粒复合涂层。为了验证该复合涂层的气体传输能力，团队设计了精密的实验。他们自制了一套模拟电解湿态环境的装置，通过监测水相pH值的变化，依据CO₂-碳酸氢盐溶解-电离平衡，计算了透过涂层并溶解于水中的CO₂量。同时，为了获得准确的绝对渗透值，他们采用恒容变压法（constant-volume-variable-pressure, CV/VP）在干态下进行了校准测量。通过比较两套数据建立校准曲线，他们发现10微米厚的Nafion−SiC复合涂层在湿态下表现出高达约8000 GPU的CO₂渗透率，这一数值甚至高于干态测量结果，研究者将其归因于水合作用引起的Nafion溶胀，从而为气体传输引入了额外通道。相比之下，亲水性的TiO₂纳米颗粒涂层的CO₂渗透率低了近两倍。在电解液传输方面，他们通过线性扫描伏安法分析了不同厚度涂层的离子电阻，发现在最优厚度范围内，离子电阻约为0.85 Ω cm²，这意味着在100 mA cm⁻²的电流密度下，欧姆电压损失小于0.1 V。
在验证了双通道物质传输能力后，研究通过一系列对比实验深入探究了该电极结构的实际工作微环境及其对电解性能的影响。他们设计了一项巧妙的电化学对比实验，使用相同的Ag催化剂，对比了在气体扩散电极中进行CO₂还原和在碳酸氢盐电解槽中进行电解的法拉第效率-电流密度曲线。结果显示，装有Nafion−SiC/Nafion−Ag电极的碳酸氢盐电解，其CO法拉第效率与在75% CO₂浓度下进行纯CO₂还原的性能相当，这一强有力证据表明，该电极将催化剂表面的局部CO₂浓度提升到了75%饱和度的水平，是裸Ag电极的三倍。同时，通过离子场模拟和电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）实验，证实了Nafion离聚物上的磺酸基团通过增强对钾离子（K⁺）的亲和力，使得Nafion−SiC/Nafion−Ag界面的K⁺浓度比体相电解液高出约1.5倍。反应-扩散模拟和pH试纸测量结果则显示，10微米以上的Nafion−SiC涂层能够有效阻碍OH⁻向电解液的扩散，将催化剂附近的局部pH值维持在近中性（pH ≈ 9），从而有效抑制了HER。
这些优良的微环境构建直接体现在了卓越的电解性能和长期稳定性上。在3 mol/L的KHCO₃电解液中，该分层电极在100 mA cm⁻²的工业级电流密度下，实现了84-88%的CO法拉第效率和35.8%的全电池能量效率，并且创造了超过1100小时的连续稳定运行记录，无明显性能衰减。通过对比实验，用导电的Nafion-C或Nafion-Ag替代绝缘的Nafion-SiC涂层后，在电场作用下，K⁺会快速渗透并充满整个涂层，导致涂层亲水化、气体通道阻塞，仅约170小时后性能便迅速衰退。这揭示了电绝缘的SiC纳米颗粒在抵抗电场诱导的离子渗透、维持涂层长期疏水性和稳定气体传输中的关键作用。研究进一步通过原位衰减全反射红外吸收光谱（ATR-IRAS）和原位拉曼光谱，从机理上证实了Nafion涂层带来的局部K⁺富集，能够使关键中间体*COOH的起始电位从-0.54 V（相对可逆氢电极）正移至-0.34 V，从而促进了CO₂还原。
本研究的结论具有重要的科学价值和广阔的应用前景。科学上，它首次提出并通过实验验证了利用绝缘离聚物-无机纳米颗粒复合涂层构建气体-液体双渗透通道的策略，成功地在BPM基电解槽中为碳酸氢盐电还原创造了一个类似气体扩散电极的局部反应微环境，即高CO₂浓度、高K⁺浓度和近中性pH，从而巧妙地调和了长期存在的性能与稳定性之间的矛盾。应用上，该策略不仅将碳酸氢盐电解的稳定性提升至1100小时以上，而且将其推广至Bi基和Sn基催化剂时，同样显著提升了碳酸氢盐转化为甲酸盐的效率，展现了该设计的普适性，为低成本、可持续的碳循环闭环流程的工业化推进提供了关键电极设计范本。
该研究的亮点主要体现在三个方面。首先，其方法的新颖性在于将电绝缘的SiC纳米颗粒引入Nafion涂层，这一构思巧妙地利用了材料的绝缘特性来抵抗电场副作用，确保离子传输与气体传输通道长期各司其职，解决了传统离聚物涂层因离子渗透导致失效的问题。其次，研究的系统性令人瞩目，从材料制备、结构表征、多维度传输性能测量（包括自制的湿态渗透测量装置与标准方法联用）、微环境原位模拟与实验验证，到最终的长周期稳定性考核和机理解析，构成了一个完整而严谨的证据链。最后，其研究成果的应用潜力巨大，通过优化一个看似简单的界面涂层，不仅大幅提升了电合成关键性能指标，更为BPM、离聚物和催化剂的设计提供了全新的视角，指明了通过调控三相界面微环境来驱动更复杂化学品（如多碳产物）电合成的未来方向。