华东理工大学副教授刘鹏飞、教授杨化桂团队提出分子配体调控催化微环境的新策略，构建了兼具质子屏蔽与局域环境调控功能的分子界面，在零间隙质子交换膜（PEM）电解槽中实现高选择性、长寿命的二氧化碳（CO2）电还原制甲酸盐过程，为发展兼具高碳利用率、低系统阻抗和长期稳定性的CO2电解装置奠定了基础。相关研究成果近日发表于《先进材料》。

电化学CO2还原可将CO2转化为燃料和化学品，是实现碳资源循环利用的重要技术。传统中性或碱性电解体系中，CO2易与氢氧根发生反应，不仅造成碳损失，还会生成碳酸盐并堵塞气体扩散电极。酸性电解体系能够从源头缓解碳酸盐形成问题，但大量质子向阴极迁移又会显著促进析氢副反应，降低目标产物选择性。如何同时抑制析氢反应与盐沉积，是制约酸性CO2电解长期稳定运行的关键难题。

研究团队通过将巯基咪唑配体锚定于铅基前驱体表面，催化剂在电解过程中原位重构为金属铅与碳酸铅复合活性结构，同时配体层仍稳定保留在催化剂表面。该配体层如同分子尺度的“选择性屏障”，能够减少质子和碱金属阳离子向催化界面的迁移，使催化剂表面的局域环境与强酸性本体电解液相对解耦，从而在抑制析氢反应的同时降低碳酸盐沉积风险。

该界面调控策略可直接在催化活性位点周围建立适宜反应进行的局域微环境。机制研究表明，在酸性电解液条件下，配体修饰催化剂表面的局域pH可随工作电压升高至约10.5，与本体溶液形成超过8个pH单位的差异。同时，巯基咪唑配体还可调控铅位点的电子结构，降低CO2生成关键甲酸根中间体的反应能垒，促进目标反应路径。由此，配体界面实现了“阻隔过量质子—稳定关键中间体—抑制副反应”的协同作用。

系列测试结果表明，研究团队基于该策略构建的零间隙PEM电解槽表现出优异的酸性CO2电还原性能，CO2单程转化率最高可达约89%。研究团队还将该分子屏蔽策略拓展至银基催化体系，并证实了该策略具有进一步推广至其他催化材料和反应产物的潜力。

零间隙质子交换膜电解槽局域微环境调控及电解二氧化碳制甲酸性能。研究团队供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.73559