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米测MeLab

2026-01-16

第一作者：Hyun Sik Moon

通讯作者：Rui Kai Miao, Edward H. Sargent, David Sinton

通讯单位：加拿大多伦多大学，美国西北大学

研究要点

电化学还原二氧化碳或一氧化碳（CO₂R/COR）制取多碳产物（C_2x，如乙烯、乙醇），是利用可再生能源实现化学品和燃料生产低碳转型的关键路径。实验室规模的催化剂在平方厘米尺度上已展现出高选择性和高电流密度，但迈向工业级应用（平方米级电极、年催化剂需求超10吨）面临着规模化制备的严峻挑战。本研究系统评述了当前主要的催化剂-电极集成策略，指出基于纳米颗粒油墨的沉积路线——即先合成纳米颗粒，再将其涂覆于电极——凭借其优异的可扩展性、与高通量卷对卷生产工艺的兼容性，是实现吉瓦级CO₂电解制C_2x产品最具前景的路径。文章进一步提出，应将催化剂生产通量确立为与电化学性能同等重要的评价指标，并明确了催化剂稳定性、油墨配方与高速涂覆工艺为未来研究的重中之重。

一、背景介绍

化学与石化行业是全球能源消耗与二氧化碳排放的重要源头。利用可再生电力驱动的电化学CO₂还原技术，在替代传统化石原料路线、实现碳循环利用方面展现出巨大潜力（图1）。以乙烯为例，若全球约2%的化石基乙烯（年量约1.5亿吨）被CO₂衍生乙烯替代，每年可减少高达2-3亿吨的CO₂排放。然而，实现这一影响要求CO₂利用技术在未来十年内具备商业化成熟度。

工业级电解槽需要在>100 mA cm⁻²的电流密度下稳定高效运行，这推动了基于气体扩散电极和膜电极组件的流式电池发展，以克服CO₂传质限制。该过程的核心是铜基催化剂，其独特的性质能够促进C-C偶联生成C₂ₓ产物。过去十年，通过调控形貌、氧化态和局部环境，实验室研究已在平方厘米级电极上实现了对C₂ₓ产物超过90%的法拉第效率（FE）和>1 A cm⁻²的电流密度。但将这些实验室成果放大至工业规模（平方米级电极、年需求催化剂超10吨）时，保持催化剂的活性和选择性成为关键瓶颈，其规模化生产能力与电化学效率同等重要。

图1. CO₂与CO电解系统概述及工业化实施的关键考量

二、文章概述

1. 规模化之路：催化剂-电极集成策略的对比与抉择

将催化剂集成到电极上主要有三种方法：溅射、电沉积和纳米颗粒油墨沉积（图2）。在实验室尺度（1-5 cm²）上，这三种方法均能实现相近的优异性能，达到对C₂ₓ产物约80%的FE。因此，选择未来产业化路径的决定性因素并非初始活性，而是可扩展性、生产通量及成本。

溅射法能制备高纯度、均匀的薄膜，但其在真空环境下沉积速率极低（纳米/分钟），且受限于小尺寸基底。放大至平方米级电极需要巨大的真空腔体和昂贵的泵系统，导致资本支出高昂、产能极低，同时致密的溅射薄膜电化学表面积小，后期难以调控结构。这些因素使其不适用于大面积电极制造。

电沉积法可在小尺度上制备具有高比表面积和可调形貌的铜涂层。然而，在大面积或柔性电极上，电流分布不均会导致涂层厚度和形貌不均。此外，该过程涉及浸渍处理，会造成镀液带出损耗，有效利用率可低至20-50%，产生大量含铜废水，增加了金属回收处理和运营的复杂性。虽然其资本密集度低于真空方法，但在大面积、非平面或含绝缘组分的基底上实现均匀沉积，仍面临技术和经济双重挑战。

相比之下，纳米颗粒油墨沉积法将催化剂合成与电极制造解耦，允许分别优化纳米颗粒性能和涂覆工艺。通过将预合成的铜纳米颗粒与粘结剂、离聚物、溶剂配制成油墨，可精细调控催化层的微观结构、局部传质环境和三相界面。这种方法可采用喷雾涂布、刮刀涂布、狭缝挤出涂布等与卷对卷（R2R）生产兼容的工艺，在宽幅基底上进行连续、高速涂覆。工业级R2R涂布线速度可达每分钟数十米，每分钟能涂覆约20平方米电极，通量比实验室手动喷涂高几个数量级。高通量生产降低了单位面积的设备成本和能耗，闭环溶剂回收和在线质量控制进一步减少了物料浪费。因此，基于纳米颗粒油墨的R2R涂布被论证为通往吉瓦级部署最实际、经济性最优的路径。

对中试规模（电极面积>100 cm²）CO₂/COR电解系统的调研也印证了这一趋势。所有超过100 cm²的示范系统都采用了纳米颗粒油墨沉积的催化层，这已成为可扩展催化剂-电极集成的实际标准。

图2. 可扩展催化剂沉积方法在二氧化碳电还原为C2+产物中的比较

2. 性能落差与规模敏感性：C₂ₓ产物合成的特殊挑战

值得注意的是，将CO₂转化为单一产物CO的工艺相对容易放大。该过程涉及简单的两电子路径，竞争性析氢反应弱，对催化剂形貌和涂层均匀性的变化容忍度较高。因此，中试规模的CO₂制CO单元能够保持实验室水平的性能，即使在高电流密度下也能稳定实现约80-90%的FE。

然而，C₂ₓ产物的合成放大则面临显著挑战（图3）。实验室中，在严格调控纳米颗粒尺寸、晶面暴露、氧化态和离聚物分布的条件下，可在平方厘米电极上实现约80%的乙烯选择性。但当电极面积扩大到超过100 cm²时，维持这种微观结构控制变得异常困难。报道的FE通常会降至20-30%，并随面积增大而单调下降。Cu催化C₂ₓ生成涉及多电子、多中间体的复杂反应网络，微小的不均匀性——如颗粒尺寸、层厚、粘结剂分布、局部pH和CO₂浓度的梯度——都会被放大，导致反应路径偏移和产物分布改变。这凸显了在大规模生产中，保持对纳米颗粒和催化层结构精确控制的重要性。

图3. 催化剂应用方法与性能的跨尺度趋势

3. 构建全链条制造流程：从纳米颗粒合成到系统集成

为了实现产业化，需要建立一个从催化剂生产到电解槽集成的端到端、可扩展的制造工作流程。该流程可分为五个阶段，每个阶段设有质量门控（图4）。

第一阶段是铜催化剂的批量生产（表1）。当前实验室常用的水热合成法受限于批次处理，放大时面临反应器加热不均、成本飙升的问题。而液相化学还原法虽已用于银、金、铂碳催化剂的工业制备，但铜纳米颗粒易氧化和团聚，难以保持稳定。因此，需要转向连续、高通量的合成平台，如火焰喷雾热解法或连续搅拌釜反应器。这些方法能以每小时数百克的速率生产纳米颗粒，产能远超批次法，更符合吉瓦级电解年需求万吨催化剂的规模。

第二阶段是油墨配方。将干燥的铜催化剂粉末分散于溶剂-粘结剂体系中，形成功能化涂层油墨。有效的油墨必须在高速涂覆条件下保持纳米颗粒稳定分散、具有合适的流变特性，并能牢固附着于基底。目前尚无商业化的铜电催化剂油墨，这反映了实验室配方与工业就绪度之间的差距。配方开发需考虑目标产物（乙烯、乙醇等）对溶剂-粘结剂比例的不同要求，以及功能性添加剂（如醌类、腈类）和导电碳材料（碳黑、碳纳米管）的引入。从实验室小试放大到数十升的工业批次，保持油墨的均匀性、批次间重现性及长期储存稳定性是关键挑战。

第三阶段是高速涂覆。多种工业上成熟的R2R兼容涂覆技术可用于将油墨转化为大面积电极。多喷嘴喷雾系统可通过并行喷头实现米幅宽基底上的均匀涂布。狭缝挤出涂布能以每分钟1-10平方米的速率（假设1米宽幅）施加湿膜，相当于单班生产约10,000平方米电极，该通量在电池制造业已是常规。通过在同一生产线上组合不同涂覆模块（如先喷雾打底，再刮刀涂布厚层，最后狭缝涂布或柔版印刷精整），可以在保证连续高通量的前提下，优化每一层的性能。

第四阶段是储存与质量控制。涂覆好的电极需分切至所需尺寸，并进行包装，确保其作为“即用型”电极具有超过3个月的货架寿命，并在储存后能通过质量检验。

第五阶段是系统集成与运行。 将电极组装成膜电极组件，进而堆叠成模块化CO₂电解槽，在工业条件下运行。此阶段需验证其在吉瓦级运行规模下，能维持多年的电化学和机械稳定性。

这一协调的工作流程要求材料化学、配方科学、过程工程和系统设计等多学科的紧密合作，以实现从油墨流变性到涂覆工艺、从电极质量到电解槽内气液均匀分布的全链条匹配。

表1. 可扩展催化剂合成与涂覆方法

图4. 可扩展的催化剂合成路径、墨水配方设计、电制造工艺，以及在工业级二氧化碳电解系统的集成应用

4. 未来研究优先方向与评价体系重构

为实现CO₂电解的规模化部署，几个关键研究方向亟待突破。

首先是催化剂的长效耐久性。商业系统要求催化剂在数千小时甚至更长的运行时间内保持性能。铜催化剂在储存、处理和电化学运行中易发生氧化降解、表面重构和机械脱落。需要开发保护性表面钝化、核壳工程、动态界面再生等策略来增强其结构稳定性和电化学鲁棒性。应参照美国能源部对质子交换膜燃料电池的加速衰减测试协议，建立CO₂电解催化剂的耐久性评估标准。

其次是油墨的可制造性。 生产就绪的油墨配方必须批次差异小，供应链来源多元化，并能满足下游高速涂覆工艺对牛顿流体行为、液滴一致性等苛刻要求。这需要配方化学、混合工艺和过程集成技术的协同进步。

最后，学术研究亟需调整性能评价标准以对齐工业相关性。除了传统的法拉第效率、过电位、分电流密度等电化学指标外，应将合成路径的可信放大潜力和催化剂生产通量作为关键补充指标进行报告。一个本征活性略低但能以千克级规模稳定合成的催化剂，可能比一个仅能克级合成的高活性催化剂更具商业价值。在实验室阶段就常规报告生产通量，有助于早期考量制造可行性，并促进不同合成路线的直接比较。

此外，还需关注规模化制造的环境影响。借鉴燃料电池和电池行业的经验，采用闭环溶剂循环回收、自动化R2R工作流程和在线监控，可以最大限度减少物料消耗和损失。对含铜废料进行湿法冶金回收，可实现>90%的铜回收率。同时，鉴于高性能油墨中常用的氟化离聚物（如Nafion）可能涉及全氟/多氟烷基物质的环境风险，开发无氟且性能相当的离聚物也是一项重要任务。

三、小结

将CO₂电解从实验室演示推向吉瓦级商业化部署，不仅需要高性能的催化剂，更要求我们重新定义评价体系，并系统性拥抱可扩展的制造方法。纳米颗粒油墨沉积与卷对卷加工技术的结合，为催化剂层的大规模、低成本制备提供了最可行的路径。然而，成功之路依赖于在连续纳米颗粒合成、功能性油墨配方和高速涂覆技术等环节取得协调一致的进展，并将可制造性和长效性作为核心指标纳入研发全过程。借鉴燃料电池、水电解和电池行业商业化的经验教训——即成功不仅取决于催化活性，更依赖于标准化、可重复性以及全系统集成能力——将这些原则应用于CO₂电还原领域，将加速我们迈向一个由可再生能源驱动、以CO₂为可持续原料的循环碳经济时代。

原文详情：

Moon, H.S., Jaffer, S.A., Miao, R.K. et al. Scaling electrocatalysts for reduction of CO₂ or CO to multicarbon products. Nat. Rev. Mater. (2026).

 https://doi.org/10.1038/s41578-025-00875-2.