1. 痛點問題

電化學轉化二氧化碳（CO₂）為高值化學品或電解水制氫，為可再生電能存儲和化學品綠色合成提供了一種有效途徑。目前，堿槽電解和質子交換膜（PEM）電解技術能實現較大電流密度和較高能量效率，受到了廣泛的關注。但在強酸或強堿的長時間反應條件下（1000 − 10000小時以上），催化劑易被腐蝕失活，導致電化學性能迅速惡化，嚴重降低了電還原CO₂和電解水制氫的能量效率和穩定性。

2. 解決方案

針對在長時間工況條件下，電催化劑易失活的核心痛點問題，本項目的主要解決方案是：

（1） 通過電催化劑組分設計，形成具有氧化還原可調性質的表面自穩定催化劑，最大限度抑制強酸或強堿環境中催化劑腐蝕問題，提升高活性催化劑的穩定性。

（2） 通過分層電極結構構筑，調控催化劑表面離子濃度分布（K⁺等），調節反應界面局域pH，進一步實現強酸條件下CO₂還原的高活性、高能量效率、高CO₂利用率以及長穩定性。

3. 競爭優勢分析

項目研究成果闡明了催化劑設計和分級電極結構構建是穩定調控催化劑表面活性位點結構以及反應局域微環境的有效手段，使電催化劑在強酸或強堿性環境中能穩定高效電還原CO₂或應用于電解水制氫。

(1) 已證明采用催化劑組分設計，構建表面自穩定的氧化還原性質可調的合金催化劑體系，可以在2400小時以上穩定電還原CO₂產甲酸鹽，在100 mA cm⁻²的電流密度下，實現了甲酸95%以上的選擇性，70%陰極能量效率和55%全電池效率。該催化劑設計方法能夠普適地應用于電解水制氫。

(2) 已證明分層電極結構設計策略應用于SnBi、Ag、Cu等不同催化劑表面，均能實現強酸環境下，高效穩定電還原CO₂產甲酸、CO、多碳產物等。以電還原CO₂產甲酸為例，分層電極結構能實現在100 mA cm⁻²的電流密度下，甲酸法拉第效率為90%，單次碳轉化效率為76%，能穩定持續運行300小時以上。

(3) 已證明分層電極結構（含SiC-Nafion™表面涂層）是一種獨特而普適地能夠有效防止催化劑重構的策略，并能夠顯著提高CO₂R在強酸和強堿環境中的反應活性和穩定性，在反應數百小時甚至數千小時后的催化劑形貌和電化學性能仍被很好的保持。

(4) 已證明使用分層結構電極策略可用于不同的電解器件中：包括酸性PEM電解器、含固態電解質的膜電極電解槽、含陰離子交換膜的堿性電解槽，均實現了優異的電還原CO₂制甲酸、CO、乙烯等的性能。上述催化劑設計策略和分層電極結構設計，對提高電解水制氫的穩定性也具有普適性。

例：有無SiC-Nafion^TM表面涂層的中性、堿性和酸性電解質中CO₂電還原的示意圖