近日，南方科技大学机械与能源工程系林蒙课题组在二氧化碳电化学还原领域取得新进展。该工作提出了膜电极电解池非等温热管理策略，深入分析了二氧化碳还原反应热-质传递机制，揭示了基于Soret效应（热扩散效应）的阳离子热扩散机理，从本质上解决了二氧化碳还原体系的盐析问题以实现长时间稳定运行。相关成果以“Non-isothermal CO2 electrolysis enables simultaneous enhanced electrochemical and anti-precipitation performance”为题，发表在国际权威期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上。

可再生能源驱动的电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）是一种有效应对气候变化与能源存储等全球性挑战的燃料制备技术。采用高碱性电解质的体系展现了优异的电化学性能，更容易实现与光伏发电等可再生能源的高效耦合。尽管近期研究中对于催化剂和反应器结构的不断优化提升了CO₂RR的性能，但在高电流密度下系统的运行不稳定性和低效率仍制约着CO₂RR系统的大规模工业应用。其中，阴极盐析现象是限制运行寿命的关键因素之一，在高碱性电解液中，盐析现象会导致多孔电极的孔隙和极板流道等传质通道堵塞，从而降低反应效率并缩短电解池寿命。

在实际膜电极运行过程中，阴极供给的CO₂与OH⁻反应生成CO₃^2-/HCO₃^-，并与从阳极电迁移泄漏的阳离子（如K⁺）结合形成KHCO₃/K₂CO₃。当KHCO₃/K₂CO₃过饱和时，结晶成盐析出，这些盐会在孔隙和通道中积累，进一步抑制催化性能甚至中断反应。目前解决盐析问题的常见方法包括脉冲法降低阴极CO₃^2-浓度、稀释电解质或去离子水周期性清洗，但这些方法往往导致更高的过电位和系统间歇性运行的问题，无法从根源上解决盐析问题，难以实现长期稳定运行，亟需探索稳定且高效的新策略。

图1 膜电极CO₂RR电解池机理分析及非等温运行性能预测

该团队提出了膜电极电解池非等温运行策略，涉及对阳极和阴极进行单独温度控制的热管理，以提高膜电极极限电流密度和解决膜电极电解池中盐析堵塞通道而中断反应的问题。从CO₂电化学还原反应的温度特性研究出发，探究非等温热管理策略对膜电极电解池电化学性能和抗盐析性能的促进作用，并结合实验测试、结构表征以及有限元模拟等手段进行机理分析。

图2 CO₂RR温度特性电化学性能评估及非等温策略验证

该研究分析了CO₂RR的热-质传递机制和温度对反应的影响规律，发现高温会促进阳极析氧反应和提高膜电导率，但会抑制阴极CO₂RR。高温工况下可以实现降低塔菲尔斜率、增大电化学活性面积的效果以促进析氧反应，同时，由于温度的升高，离子迁移速率增强，从而导致膜电导率的提升，这些现象均有利于降低电解池电位。然而，高温会导致CO₂溶解度降低，使得阴极CO₂还原催化活性位点被析氢反应取代，进而降低了CO产物选择性。膜电极电解池中应用本研究提出的非等温热管理策略可保持阳极高温的同时冷却阴极的方法可同时满足阳极析氧反应和阴极CO₂RR的需求。最佳CO₂RR电化学性能出现在非等温60^oC工况，在3.2 V 下实现了243.6 mA cm^-2的CO偏电流密度，比等温60^oC提高了13%。

图3 基于Soret效应的抗盐析机理和稳定性研究

该研究发现，非等温策略在高电流密度和高碱性电解液条件下展现出独特的抗盐析性能。盐的形成与K⁺从阳极向阴极的电迁移密切相关，实验测得该体系下Soret系数为负（-0.034 K-1），因此，非等温热管理策略形成的阴阳极间温度梯度将诱导K⁺的反向热扩散，即Soret效应，降低了阴极K+浓度，阻断其与CO32-/HCO3-的结合，有效抑制了盐（KHCO3/K2CO3）的形成，从而实现从根本上抑制了盐析现象。Soret效应描述了溶液中粒子在温度梯度作用下的迁移行为，导致浓度分布的不均匀性。其强度受溶液浓度、温度、粒子大小及体系物理化学性质等多种因素影响。由于抗盐析能力，膜电极非等温40°C CO2电化学还原系统可以在100 mA cm-2下实现超过200 小时的稳定运行。

图4 效能提升策略及技术经济性分析

非等温热管理策略可通过进一步调节膜特性（如降低热导率、增大厚度和提高离子电导率）来增强Soret效应。膜厚度的增加将提高两极的温差，进一步提高CO产物选择性。然而膜厚的增加会抑制离子跨膜输运效率导致膜过电位增加，需要提高膜的离子电导率来弥补这一不足。降低膜热导率至0.02 W m-1 K-1时，能量效率可提高至43%。技术经济分析（TEA）表明维持非等温条件所需的额外能量仅占设备总输入能量的5.3%。非等温策略降低了CO的生产成本（0.41 $ kg-1），并且当电解池电流密度增大以及电价降低后，CO生产成本可以进一步降低，证明了非等温策略在大规模工业应用中的经济可行性。

南方科技大学机械与能源工程系2022级博士研究生黎杰扬为论文第一作者，林蒙助理教授为论文通讯作者，南方科技大学为论文唯一单位。以上研究得到了国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会、广东省基础与应用基础研究基金会以及南方科技大学碳中和能源研究院的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59604-6