本研究的主要作者为天津理工大学新材料与低碳技术研究院、材料科学与工程学院、材料微结构教育部国际合作联合实验室的秦雪荣、李晶晶、王林林、刘欢、杨作涛、冯国进、王笑然、程轩轩、张超、于子游和卢同波。其中，秦雪荣、李晶晶和王林林为共同第一作者，通讯作者为于子游和卢同波。该项研究成果以“Electroreduction of diluted CO2 to multicarbon products with high carbon utilization at 800 mA cm–2 in strongly acidic media”为题，于2025年发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。

学术背景 本研究属于电催化二氧化碳还原（CO2RR）领域，具体聚焦于将低浓度CO2（模拟工业烟气）高效、高选择性地转化为高附加值多碳（C2+）产物这一关键挑战。当前，绝大多数CO2RR研究使用高纯度CO2（>99%）作为原料，而工业排放的烟气中CO2浓度通常较低（约15 vol%）。若使用传统碱性或中性电解液，低浓度CO2的竞争性析氢反应（HER）会占据主导，导致CO2RR性能不佳；若先对烟气中的CO2进行捕获和提纯，则是一个高能耗、高成本的过程。因此，直接利用低浓度CO2流（如烟气）进行电化学还原，是通向经济可行CO2转化技术极具前景的路径。此外，在酸性电解液中进行CO2RR可以避免碱性/中性环境中因CO2与OH-反应生成碳酸（氢）盐而导致的严重碳损失问题，从而有望实现高的单程碳效率（SPCE）。然而，酸性介质中快速的HER动力学严重抑制了CO2RR。此前的研究虽在酸性纯CO2还原方面取得进展，但直接利用低浓度CO2在强酸中高效生产C2+产物仍是一个巨大的挑战。本研究的目的是开发一种通用策略，实现在强酸性条件下，直接以低浓度CO2为原料，高效、高选择性地电还原生成C2+产物，并达到与使用纯CO2相竞争的性能水平。

详细工作流程 本研究包含催化剂设计与合成、材料表征、电催化性能测试、机理探究以及应用验证等多个紧密衔接的步骤。 1. 催化剂设计与合成：研究团队提出了一种简单的离子聚合物涂层策略。他们选用了一种商业化的基于咪唑鎓的阴离子交换离聚物——Sustainion，作为涂覆层。催化剂的具体合成步骤如下：首先，以苯-1,3,5-三甲酸（BTC）和硝酸铜为原料，在甲醇中室温合成铜基金属有机框架（Cu-BTC）作为前驱体。随后，在空气中350°C煅烧Cu-BTC得到CuO纳米颗粒。接着，将CuO纳米颗粒与Sustainion离聚物（5 wt%乙醇溶液）通过超声混合，制备成均匀的催化剂墨水。将该墨水喷涂到基于碳纸的气体扩散电极（GDE）上。最后，通过电化学还原步骤（在0.5 M K2SO4电解液中，-20 mA cm–2下还原30分钟），得到最终的Cu@Sustainion电极。其中，Cu的负载量为1.4 mg cm–2，Sustainion的负载量为0.1 mg cm–2（质量分数为6.7%）。作为对比，也制备了未涂覆离聚物的纯Cu催化剂。此外，为了验证策略的普适性，还使用商业Cu纳米颗粒和电沉积Cu微晶制备了相应的Sustainion涂层催化剂（Com-Cu@Sustainion和Ed-Cu@Sustainion）。 2. 材料表征：采用多种技术对催化剂进行了系统的物理化学表征。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察催化剂的形貌和涂层厚度，显示Cu@Sustainion表面粗糙，覆盖有10-30 nm厚的离聚物层。X射线衍射（XRD）确认了催化剂中金属Cu的晶相。能量色散X射线光谱（EDX）元素 mapping显示了Cl和N元素在Cu表面的均匀分布，证实了Sustainion的成功涂覆。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示了Sustainion的特征吸收峰。X射线光电子能谱（XPS）表明涂层后Cu的价态（主要为Cu0和少量Cu+）未受影响。此外，还通过CO2气泡粘附力测试、实时气泡传输观察和水接触角测量，证明了Sustainion涂层具有超亲气性和疏水性，能有效捕获CO2并阻碍质子传输。 3. 电催化性能测试（纯CO2）：首先在纯CO2气氛下评估催化剂的性能。测试在一个流动电解池中进行，使用强酸性电解液（3.0 M KCl + 0.05 M H2SO4，pH 0.8）。通过在线气相色谱和核磁共振波谱分别定量气体和液体产物。在100至800 mA cm–2的电流密度范围内测试了产物的法拉第效率（FE）。结果显示，Cu@Sustainion在800 mA cm–2时实现了最高的C2+ FE，达到78.2 ± 2%，对应的C2+分电流密度为625.6 ± 16 mA cm–2，而HER的FE被抑制在10%以下。相比之下，纯Cu催化剂在电流密度高于300 mA cm–2后，C2+ FE逐渐下降，HER上升，在800 mA cm–2时C2+ FE仅为38.2 ± 3%，HER FE为30.9 ± 4%。研究还优化了Sustainion的负载量，发现0.1 mg cm–2为最佳值。通过改变CO2流速测试了单程碳效率（SPCE），在低流速（2.5 sccm）和800 mA cm–2下，Cu@Sustainion对所有CO2R产物的SPCE达到80.1%（其中C2+产物约61%）。稳定性测试表明，Cu@Sustainion在500 mA cm–2下连续运行16小时，能保持65-70%的C2+ FE。普适性实验证明，该涂层策略对不同类型的Cu催化剂均有显著性能提升。 4. 机理探究：为了揭示性能增强的根源，研究进行了深入的机理研究。首先，采用电化学方法（以1,4-苯醌为氧化还原探针）测定了催化剂表面的局部CO2浓度。结果表明，Cu@Sustainion表面的局部CO2浓度比纯Cu表面提高了约7倍。CO2吸附测量也证实了Cu@Sustainion具有更高的CO2吸附容量。其次，通过旋转圆盘电极（RDE）实验研究了质子传输。在Ar饱和的酸性电解液中，Cu@Sustainion的HER扩散极限电流密度远低于纯Cu，根据Koutecky–Levich方程拟合得到的HER动力学电流密度从142.2 mA cm–2大幅降至20.1 mA cm–2，证明Sustainion层有效阻碍了质子扩散，抑制了HER。此外，作为对比，仅具有疏水链的Nafion或聚四氟乙烯（PTFE）涂层对性能的提升有限，说明咪唑鎓阳离子与CO2的化学相互作用对增强CO2吸附至关重要。最后，利用原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）监测反应中间体。光谱显示，Cu@Sustainion在~2030 cm–1处的*CO中间体信号强度显著强于纯Cu，表明CO2活化和还原为*CO的效率更高。同时，在~1585 cm–1处归属于C-C耦合中间体*OCCOH的C=O伸缩振动峰，在Cu@Sustainion上出现电位更正、信号更强，说明涂层促进了CO二聚步骤，从而有利于C2+产物的生成。 5. 应用验证（低浓度CO2）：为了展示直接将烟气转化为燃料的潜力，研究使用模拟烟气（15 vol% CO2，平衡气为N2）作为进料气，在相同的强酸性条件下进行CO2R测试。结果显示，Cu@Sustainion在低浓度CO2中的产物FE与在纯CO2中非常接近。在800 mA cm–2下，使用15% CO2时，C2+ FE仍高达70.5 ± 1.6%，仅略低于纯CO2下的78.2 ± 2%，C2+分电流密度保留了90%。而纯Cu催化剂在切换为低浓度CO2后，C2+分电流密度急剧下降，仅保留了34%。SPCE测试表明，在总气速10 sccm（含15% CO2）和800 mA cm–2条件下，Cu@Sustainion实现了73.6%的高SPCE。

主要结果 1. 材料成功制备与特性验证：成功合成了Sustainion离聚物涂覆的Cu催化剂（Cu@Sustainion）。表征数据证实了均匀涂层的形成，并揭示了该涂层具有超亲CO2和疏水的表面特性，这是其功能化的物理基础。 2. 纯CO2下优异的电催化性能：Cu@Sustainion在强酸性电解液和纯CO2进料下，展现出卓越的C2+选择性和高电流密度性能（800 mA cm–2下C2+ FE 78.2%），并实现了高达80.1%的SPCE，超越了传统碱性/中性体系的碳效率极限，且稳定性良好。 3. 机理的明确阐释：实验证据表明，性能提升源于Sustainion涂层的双重作用：一是通过咪唑鎓基团的强亲和力及疏水链的富集作用，显著提高了催化剂表面的局部CO2浓度；二是通过其疏水性阻碍了质子向催化剂表面的传输，从而强力抑制了竞争性的HER。这共同促成了丰富且稳定的气-液-固三相反应界面，有利于CO2RR进行。原位光谱进一步证实了涂层促进了*CO中间体的生成和随后的C-C耦合。 4. 低浓度CO2直接转化的突破性成果：最关键的结果是，Cu@Sustainion在模拟烟气（15% CO2）和强酸条件下，仍能实现70.5%的C2+ FE和73.6%的SPCE（800 mA cm–2），其性能与在纯CO2中获得的结果具有竞争力。这直接验证了该策略能够克服低浓度CO2原料带来的挑战。 5. 策略的普适性：该离聚物涂层策略对多种Cu催化剂均有效，表明其具有一定的通用性，而非局限于特定形貌的Cu。

结论与价值 本研究成功开发了一种基于咪唑鎓阴离子交换离聚物涂层的通用策略，首次实现了在强酸性介质中，直接以低浓度CO2（如工业烟气）为原料，高效、高选择性地电催化还原生产多碳产物。该策略通过离聚物层同时实现“富集CO2”和“阻挡质子”的双重功能，创造了有利于CO2RR而非HER的局部微环境。所制备的Cu@Sustainion催化剂在模拟烟气条件下达到了与纯CO2条件相媲美的C2+选择性和单程碳效率。 这项研究的科学价值在于，它为解决CO2电还原领域中“低浓度原料适应性差”和“酸性介质中HER竞争激烈”这两个长期存在的难题提供了一个巧妙而有效的解决方案，深化了对催化剂-电解质界面微环境调控的理解。其应用价值巨大，为未来直接、高效、碳经济地利用工业排放的烟气生产高价值化学品和燃料，无需经过高能耗的CO2提纯步骤，铺平了道路，对推动碳中性经济的发展具有重要意义。

研究亮点 1. 突破性性能：首次在强酸（pH 0.8）和低浓度CO2（15%）条件下，实现了高达70.5%的C2+法拉第效率和73.6%的单程碳效率（800 mA cm–2），性能指标与纯CO2环境相当。 2. 新颖的策略：提出并验证了一种简单而通用的“离聚物涂层”策略，通过单一涂层材料同时实现反应物（CO2）富集和副反应（HER）抑制的双重目标，构思巧妙。 3. 深入的机理揭示：通过系统的电化学测试、局部浓度测量和原位光谱分析，清晰、定量地阐明了性能增强的微观机制，即“提高局部CO2浓度”和“降低局部质子可用性”。 4. 明确的应用导向：研究工作直接针对工业烟气的实际组成（低浓度CO2）进行设计和验证，展现了从实验室研究通向实际应用的巨大潜力。 5. 策略的普适性：该涂层策略被证明适用于不同来源和形貌的Cu催化剂，增强了其推广应用的可行性。

其他有价值内容 研究还包含了详细的实验方法，如使用聚酰亚胺阴影掩模制备图案化电极以观察CO2捕获行为，以及计算FE和SPCE的完整公式，为其他研究者复现和借鉴提供了便利。论文最后提供了数据可用性声明，符合开放科学的原则。