电催化二氧化碳还原（CO₂RR）制备乙烯（C₂H₄）等C₂⁺高值化学品，是依托可再生电能实现二氧化碳资源化利用的重要技术路径。常规单步直接电解、纯碱性或中性两步串联电解体系存在一个关键短板：在pH≥7的反应环境中，通入的气态CO₂会与体系内OH⁻发生反应，生成碳酸盐或碳酸氢盐。盐类累积会造成气体扩散电极（GDE）被盐堵塞、电极淹没，单程碳转化效率（SPCE）大幅下降（多数体系低于25%），同时加速器件性能衰减，成为制约该技术走向工业化的核心瓶颈。

近期，马献辉等研究者在Science Advances发表研究论文，提出“酸性段CO₂→CO +碱性段CO→C₂⁺”的长效酸‑碱串联电解体系（Acidic‑alkaline tandem system for durable CO₂‑CO‑C₂⁺），从原子尺度活性位点间距调控与电解槽系统架构协同设计两个维度破局，为兼顾高碳效率、高C₂⁺选择性和长运行寿命提供了新路径。

一、酸性段：0.5nm镍位点抑制析氢，实现高效CO生成

酸性介质（pH=1）可从源头降低碳酸盐生成风险，但强酸性环境会加剧析氢副反应（HER），并对金属位点稳定性提出更高要求。作者采用聚缩合‑热解方法制备氮掺杂碳负载镍单原子催化剂，通过调控制备条件获得平均位点间距d_site分别约为1.7、1.0、0.5和0.36nm的系列样品。 

实验与理论计算表明，当镍位点平均间距约为0.5nm（Ni₁‑NC‑0.5）时，催化剂对关键中间体COOH的吸附能垒最低（DFT：0.56eV），同时Ni–C轨道相互作用增强（iCOHP = −2.69 eV）。这一电子结构与几何位点协同作用，既促进CO₂→COOH→CO路径，又抑制*H吸附和析氢竞争。在1.4Acm⁻²电流密度下，CO法拉第效率（FE）达99.7±0.4%，单程碳效率SPCE达89.9±2.2%（pH=1）。放大至100 cm²酸性薄层流电解池，在30 A总电流下，CO的FE仍达98.1%，槽压2.85 V，连续88 h运行无明显衰减。

二、碱性段与串联耦合：CO接力生成乙烯，系统稳态运行超过400h

酸性段产生的CO被导入碱性膜电极（MEA）进行一氧化碳还原反应（CORR）。碱性段阴极采用TCNQ包覆CuO催化剂（CuO@TCNQ），以优化CO吸附和C–C偶联过程。在碱性段总电流10A、电流密度约0.4Acm⁻²条件下，乙烯FE达75.3±1.2%（碱性CORR单段峰值选择性），C₂⁺的FE达92.5±1.3%，槽压2.88V。

将酸性段与碱性段串联后，系统在“酸性段20A +碱性段4A”的匹配工况下连续运行超过400h，乙烯FE稳定在57.6±2.1%（两槽串联匹配运行时的系统平均性能），且气体扩散电极背面未观察到碳酸盐结晶。在更高负荷短时测试中（酸性段约40A +碱性段10A），乙烯FE仍可达70.2%。

三、技术经济性与研究意义

技术经济分析（TEA）显示，在0.03美元/kWh电价下，该串联工艺乙烯成本约为1698.5–2219.8美元/吨；若可再生电价降至0.01美元/kWh，成本可降至约1343.7美元/吨，接近油基乙烯参考价格（约1350美元/吨）。

该工作的核心价值在于将“原子级位点调控”与“系统级酸碱分工”结合起来：酸性段利用0.5nm镍位点实现高选择性、高碳效率的CO生成，碱性段利用CO进料强化C–C偶联，从而绕过传统碱性/中性体系中的碳酸盐瓶颈。研究表明，通过催化剂几何/电子结构与电解槽工况的协同设计，CO₂电还原有望同时取得高SPCE、高C₂⁺选择性和长寿命。

四、系统示意图 

图1 酸性-碱性串联电解系统概念示意。酸性段以Ni₁-NC-0.5催化剂将CO₂高效还原为CO，生成的CO进入碱性段，在CuO@TCNQ催化剂作用下进一步偶联生成乙烯等C₂⁺产物。本图利用豆包制作。

 参考文献

[1] Ma X, Zhang J, He D, et al. Acidic‑alkaline tandem system for durable CO₂‑CO‑C₂⁺. Science Advances, 2026, 12(20). DOI: 10.1126/sciadv.aea2538.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea2538

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