以水为质子源，电还原一氧化碳（CO）合成化学品原料（如乙烯，C₂H₄）具有经济性且环境友好，具备大规模应用潜力。然而，高反应电位和低法拉第效率限制了其能量效率。南京大学钟苗教授课题组在电还原CO制C₂H₄方面取得进展。课题组通过构建定量电化学反应-传输模型，发现低体积交换电流密度和有限的中间体表面反应是限制CO 转化为多碳产物（C₂₊）和C₂H₄能量效率和法拉第效率的关键因素。

课题组设计了一种高活性位点密度的纳米网络电极结构，通过将Nafion^TM包裹的Cu⁺–Cu纳米片催化剂紧密排列，实现高体积活性位点密度（S* = 11000 cm²/cm³），显著提升了电催化体积交换电流密度（i₀S*），从而增加CO电还原活性，降低了高电流密度下过电位。纳米片催化剂之间的纳米级间距（30–300 nm）促进了烯酮中间体在催化剂表面“吸附-脱附-再吸附”机制，同时抑制了烯酮与碱性电解液反应生成副产物乙酸盐，提高了C₂H₄选择性和能量效率。使用7 M KOH/3 M KF/0.1 M K₂CO₃电解液提高了K⁺离子浓度，增强了电催化剂表面反应动力学，同时通过碳酸根离子表面配位稳定了催化剂表面活性物种。在25 cm²膜电极和4 A电流下，实现了全电池COR电位降低至1.87 V，C₂₊能量效率>50%、法拉第效率90±1%，C₂H₄能量效率>41%、法拉第效率 71±1%，稳定运行超150小时。

研究还发现了能量效率指示符（（i₀S*/ρ_lq）^−1/2）和乙烯/乙酸选择性描述符（1−exp（−b/S*）），两种描述符解释本项工作及已报道文献中电还原CO的能量效率与乙烯、乙酸选择性关系。

基于该设计思路，课题组进一步制备了高体积活性铋基和银基电极，在CO₂电还原制甲酸盐和CO反应中，能量效率分别超过60%与55%，展现出本研究提出的能量效率提升方法在跨催化体系中的应用潜力。未来，课题组将持续提升电催化剂活性和选择性，实现膜电极中的高效稳定运行。

Energy Efficiency Limit in CO-to-Ethylene Electroreduction and the Method to Advance Toward

Jin Zhang, Haoyang Jiang, Xiaotong Zhao, Zhaoyang Liu, Le Li, Weiping Ding,  Miao Zhong

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202502690