近日，天津理工大学鲁统部教授、余自友教授团队提出采用高通量泡沫铜作为催化剂载体，利用其丰富且贯通的三维大孔道结构，为液体产物提供高效传质通道，强化产物从催化剂表面的快速脱附与定向转移，从而实现甲酸盐液体产物的高浓度、长时间连续制备。2026年4月3日，该研究以“A high-flux membrane electrode assembly for CO₂ electroreduction to 4.5 M formate with over 8,000 h stability”为题，在线发表于Nature Catalysis期刊。同时相关技术团队正与中国石油兰州石化公司开展中试实验。

利用可再生能源电力驱动电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）合成高附加值化学品，是实现碳中和的一条有前景的路径。过去十年中，研究人员已开发出多种催化剂与电解槽，能够在高电流密度下高选择性地生成多样化CO₂RR产物。其中，一氧化碳和甲酸盐被视为最具商业价值的产品。近期经济技术分析表明，其工业相关活性和法拉第效率（FE）分别需>200 mA cm^-2和>90%。特别是甲酸盐因其易于运输储存，以及在纺织、皮革和制药行业中的广泛应用，成为极具吸引力的CO₂RR产物。然而，在传统的电解槽中，生成的甲酸盐通常与电解质混合稀释，导致甲酸盐溶液浓度极低（通常<0.1 M），显著增加了后续分离与提纯的成本。在现有研究中，采用无阴极电解液的膜电极构造虽可实现高浓度甲酸盐的合成，但普遍面临运行稳定性差的瓶颈。深入分析表明，该问题源于高浓度液体产物在传统气体扩散碳纸电极上的传质动力学缓慢，进而引发电极水淹与盐析等连锁问题，最终导致催化性能快速衰减，稳定运行时长难以突破100小时，严重制约了其工业化应用的前景。

基于此，研究组提出采用高通量泡沫铜作为催化剂载体，利用其丰富且贯通的三维大孔道结构，为液体产物提供高效传质通道，强化产物从催化剂表面的快速脱附与定向转移，从而实现甲酸盐液体产物的高浓度、长时间连续制备。通过在三维泡沫铜基底上原位构筑Cu/Bi核壳结构纳米线，将其作为CO₂还原催化剂应用于膜电极电解槽。在仅通入干燥CO₂、不加阴极电解液、电流密度为200 mA/cm²的条件下，电解槽能够在长达8000小时连续产生4.5 mol/L的甲酸盐，且法拉第效率始终维持在90%左右，该综合性能（产物浓度-稳定性-选择性）达到当前文献报道的最高水平。而传统的碳纸基电解槽性能快速衰减，仅在100小时内就出现失活现象。为进一步验证应用潜力，研究组将小尺寸电解槽拓展至100 cm²大尺寸电解槽，在20 A恒定电流运行时，催化剂仍保持优异的催化活性与结构稳定性，未出现任何性能衰减，为后续工业化放大奠定了基础。

图1：高通量MEA设计。

图2：3D-Cu/Bi催化剂的制备、表征及CO₂RR性能研究。

图3：基于1 cm² MEA电解槽的电催化性能。

图4：高通量MEA设计中高稳定性的来源。

图5：在100 cm²的MEA电解槽中的扩展演示。

总结与展望

该研究以高通量泡沫铜为基底构建的Cu/Bi异质结构催化剂，在电催化CO₂还原制备甲酸盐过程中表现出优异性能，其产物浓度、选择性和运行时间均处于领先水平。该催化剂在CO₂电解领域实现了长时间稳定运行，取得了显著突破，有力证明了所提出的高通量策略的技术可行性与应用价值。这一进展不仅为电催化CO₂还原制备兼具高浓度、高选择性和高稳定性的液态产物开辟了新途径，也有力推动了CO₂电还原技术的研发与工业化应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41929-026-01524-9