低成本新方法极大提升CO₂电解槽的稳定性和寿命为实现大规模商业化扫清关键障碍

在全球气候变化的今天，我们想尽办法减少二氧化碳的排放，甚至想着能把它变成有用的东西。你别说，这个梦想正在被科学家们变成现实，这项技术就是电化学二氧化碳还原（CO₂RR）。

“碳”的炼金术：美好愿景与残酷现实

假如，我们有一个神奇的“反应魔盒”。一端我们输入捕获来的二氧化碳气体和水，另一端接上太阳能或风能等绿色电力。在这个魔盒里，二氧化碳分子被拆解、重组，最终变成了有价值的化学品，比如一氧化碳（CO，重要的化工原料）、乙烯（塑料的基础）、甲酸（可用于农业和制药）等等。这不仅消耗了温室气体，还创造了经济价值，简直是一举两得的“终极环保方案”。

这个“魔盒”的核心装置叫做膜电极组件（MEA）电解槽。你可以把它想象成一个三明治：“面包片”是两个电极（阴极和阳极），中间的“夹心”是一层特殊的薄膜（阴离子交换膜，AEM）。当通电时，二氧化碳气体被送到阴极，在这里发生“变身”反应；而阳极则负责另一个反应（通常是水分解产氧气）。

这种设计的优点是效率高、反应快，非常有潜力实现工业化大规模生产。然而，科学家们发现，这个“魔盒”有一个致命的问题：我们可以称之为“白色管道结石症”。

堵塞未来的盐晶体

到底是什么导致了这个强大的“魔盒”如此脆弱呢？罪魁祸首是一种看似无害的白色粉末——碳酸氢钾（KHCO₃）盐。

要理解这种“结石”是如何形成的，我们得深入“魔盒”内部看一看：

1. “偷渡”的钾离子：为了让整个电化学系统顺畅工作，科学家通常会在阳极一侧加入含有钾离子（K⁺）的电解液（比如碳酸氢钾溶液）。尽管中间的薄膜像个“保安”，主要职责是让阴离子通过，但总有一些钾离子会趁机“偷渡”到阴极这边来。
2. 相遇即成“石”：在阴极，二氧化碳与电解水产生的氢氧根离子（OH⁻）反应，生成了碳酸氢根离子（HCO₃⁻）。当“偷渡”过来的钾离子（K⁺）和新生成的碳酸氢根离子（HCO₃⁻）相遇时，它们一拍即合，迅速结合，形成了溶解度不高的碳酸氢钾盐。
3. 堵塞与崩溃：随着反应的进行，阴极的水分会逐渐蒸发，这些盐晶体就像水垢一样，不断地在电极的微小孔道和气体流道中沉积、长大。它们越积越多，最终会像胆固醇堵塞血管一样，彻底堵死二氧化碳气体的“呼吸通道”。

一旦被堵住，整个系统就会“窒息”：气体进不来，产物出不去，压力急剧升高，最终导致整个设备彻底罢工。在传统的实验中，这样一个先进的设备往往运行几百个小时就宣告罢工，这对于需要常年稳定运行的工业化应用来说，是完全无法接受的。

为了解决这个难题，科学家们尝试了各种方法，比如改造电极材料、优化薄膜、采用脉冲供电等，但效果总是不尽如人意，问题依然是悬在CO₂RR技术商业化道路上的一把利剑。