可再生電力驅動的二氧化碳電還原反應(CO₂ERR)為減少溫室氣體排放的同時生產高附加值化學品提供了可持續的途徑。在堿性/中性CO₂ERR過程中，H⁺的消耗導致局部堿性環境形成碳酸鹽，從而將CO₂轉化為C₂₊的效率限制在25%以內。同時，碳酸鹽的形成可能會阻斷CO₂的轉運通道，嚴重影響CO₂ERR的穩定性，這些因素極大地限制了堿性/中性CO₂ERR系統的工業應用。酸性電解質中的CO₂ERR能夠消除碳酸鹽的形成，從而促進CO₂的有效利用。然而，由于HER在酸性環境中更有利，因此抑制HER和激活CO₂ERR至關重要。

基于氣體擴散電極的電解池(GDE)已被證明能達到安培水平的電流密度，并且溶液的整體酸度可顯著抑制碳酸鹽形成，在局部高堿性微環境中仍可獲得高碳效率的C₂₊產物。雖然GDE通過在水體系中構建三相界面表現出較高的CO₂輸運效率，但電解質流動降低了界面的穩定性和催化選擇性，在長期電解過程中，整體粘結劑會老化和松動，影響電極體系的穩定性。因此，合理設計在強酸工業電流密度下具有高碳效率的電極體系至關重要。

近日，中國科學院上海高等研究院陳為和魏偉等報道了一種中空纖維穿透Cu電極(Cu HPE)，其能夠在0.1~3.0 A cm^?2的電流密度范圍內將CO₂電還原為C₂₊產物。由于局部質子消耗速率超過了體相質子的物質傳輸速率，在高電流密度下電極附近的局部堿性環境為促進CO₂ERR和抑制HER提供了有利的動力學。

實驗結果表明，研究人員在pH為0.71的H₂SO₄和KCl溶液中實現了高選擇性、高效和穩定的CO₂ERR。具體而言，C₂₊產物的法拉第效率(FE)高達73.4%，部分電流密度為2.2 A cm^?2，單通碳效率(SPCE)為51.8%；并且該電極能夠持續電解100小時，接近甚至優于最先進的Cu基催化劑。

原位光譜表征和理論計算表明，Cu HPE的中空纖維滲透結構大大提高了強酸中Cu活性位點的CO₂覆蓋率，實現了充分和連續的CO₂供給。因此，CO₂的激活和關鍵中間體*CHO和*CO的形成都更有利，并且H⁺和K⁺在Cu位點的共吸附在動力學上優先促進*CO的質子化，在熱力學上有利于C?C偶聯生成C₂₊產物。

綜上，該項工作所提出的電極結構工程策略為在酸性介質中實現高效、穩定的CO₂ERR和進一步開發工業上可行的CO₂電催化劑提供了思路。

Selective CO₂ electroreduction to multicarbon products exceeding 2 A cm^-2 in strong acid via a hollow-fiber Cu penetration electrode. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE02867D