随着全球能源需求持续增长，二氧化碳（CO₂）的过量排放带来的全球变暖、环境恶化问题愈发严峻，推动 “碳中和” 已经成为全球共识。
如何把这些 “多余” 的 CO₂变废为宝？利用可再生能源驱动的电催化 CO₂还原技术，在温和条件下把 CO₂转化为高附加值的化学品，是目前最受关注的碳资源化路径之一。
在众多还原产物里，甲酸因为易于运输储存、技术经济性高，被认为是最具应用前景的产物之一。但想要实现甲酸的高效电合成，一直面临两个核心难题：一是催化剂的选择性不够高，容易产生副产物；二是反应后液体产物和电解质混在一起，后续分离纯化的能耗极高，大大拉高了工业化的成本。
近日，清华大学深圳国际研究生院吴乾元副教授团队与合作者在这一领域取得了重要突破，他们不仅开发出了一种高性能的新型复合催化材料，还配套构建了全新的电解装置，真正实现了甲酸的高效、绿色合成，相关成果发表于国际顶级期刊《先进科学》（Advanced Science）。
来源：清华大学深圳国际研究生院
团队没有选用昂贵的贵金属原料，而是用低成本、环境友好的铋盐和硅酸盐，先合成了硅酸氧铋前驱体，之后通过电化学方法，诱导这个前驱体发生结构重构，最终得到了由金属铋簇与碳酸氧铋组成的复合催化材料（Bi@Bi₂O₂CO₃）。
实验结果显示，这个新型复合材料的性能远超传统催化剂：它的甲酸盐法拉第效率，在很宽的电位和电流密度范围内都能保持在 90% 以上，最高更是达到了 95.8%，就算在 300mA/cm² 的大电流密度下，依然能维持高选择性，完全满足工业化的需求。
为了搞清楚这个催化剂为什么这么好用，团队动用了X 射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线光电子能谱仪（XPS）等一系列精密的仪器，完整还原了催化剂的动态变化与反应机制，所有结论都有扎实的实验数据支撑
除此之外，理论计算也进一步验证了这一机制：两相界面的电荷重新分布，刚好优化了 * OCHO 这个关键中间体的吸附，既不会吸附太强阻碍反应，也不会吸附太弱导致中间体脱附，完美适配甲酸的生成需求。
解决了催化剂的问题之后，团队还瞄准了另一个行业痛点：传统的电催化反应里，液体产物会和电解质混在一起，后续分离纯化的能耗极高，很多时候分离的成本甚至超过了反应本身。
针对这个问题，团队构建了一套基于固态电解质的全新电解装置，彻底摆脱了液相电解质的限制：在这个装置里，阴极产生的甲酸根和阳极产生的氢离子，会分别通过离子交换膜进入中间的固态电解质层，在这里重新结合成甲酸分子，最后随着去离子水直接流出，得到的就是不含任何盐类杂质的高纯度甲酸水溶液。
也就是说，这个装置直接跳过了后续的分离步骤，产出的甲酸可以直接收集使用，大幅降低了整个过程的能耗和成本，为工业化应用扫清了最大的障碍。
这项研究不仅开发出了一种高性能的 CO₂还原催化材料，更通过配套的装置创新，解决了产物分离的行业瓶颈，为 CO₂资源化利用的工业化落地提供了全新的思路。
未来，这项技术有望进一步优化，推动电催化 CO₂还原技术真正从实验室走向工业应用，为 “碳中和” 目标的实现提供切实的技术支撑。
相关论文信息：DOI：10.1002/advs.202506034
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