創新疏水塗層技術：提升二氧化碳電解還原穩定性

透過電化學反應將二氧化碳（CO₂）轉化為有價值的化學產品，這項技術具有極大的潛力。這不僅能有效利用碳捕獲技術收集的過量CO₂，更有助於減少地球上的汙染。然而，過去的研究雖然觀察到鹽類形成的現象，但其背後的機制尚未完全被理解。此外，儘管已有各種去除鹽類的解決方案，但要找到既能防止或消除鹽類沉澱，又不影響電解槽長期穩定性的有效策略，仍是一大挑戰。

現有轉化技術中，穩定性不足的問題主要與負電極（即陰極）上形成的碳酸氫鹽有關。這些鹽類會隨著時間累積，最終堵塞氣體流動通道和氣體擴散電極（GDE）的背面，進而阻礙CO₂的流動，大幅降低裝置的效率。

最近，萊斯大學和休士頓大學的研究團隊提出了一項策略，用於追蹤不同裝置操作條件下碳酸氫鹽的形成過程。透過這項發表於《自然能源》期刊的研究，他們不僅更深入地理解了鹽類的形成機制，還提出了一種能夠減少其形成的製造工藝。

「這項研究源自於我們觀察到，儘管在CO₂還原反應（CO₂RR）中，由於區域性高pH值，催化劑與陰離子交換膜（AEM）介面會形成高濃度的碳酸根離子，但碳酸氫鹽晶體主要沉澱在GDE背面，而非催化劑層。」該研究的通訊作者王浩天向Tech Xplore解釋道。「我們的研究目標是理解鹽類形成過程，並開發一種策略來減少基於膜電極元件（MEA）的CO₂RR系統中的鹽類沉澱，從而延長裝置的穩定性。」

研究團隊利用先進的即時監測技術，仔細觀察了不同條件下二氧化碳的電解還原過程，發現了一種導致碳酸氫鹽形成的機制。具體來說，他們觀察到含有正離子和碳酸氫根離子的液滴會因電極表面氣體釋放（即介面氣體演化）而遷移。當這些液滴乾燥後，會留下固體鹽類殘留物，最終阻礙CO₂氣體的流動。

基於這一發現，他們提出了一種能夠防止這些鹽類晶體形成的製造策略。該策略的核心是在氣體流動通道表面塗覆一層疏水性聚合物塗層。「我們在MEA電解槽的陰極氣體流動通道表面應用了疏水性聚對二甲苯塗層，以促進鹽滴的去除。」研究人員解釋道。「其中一個重要發現是，我們利用對CO₂還原電解槽中鹽類形成的觀察，提出了一種與攜帶陽離子和（碳酸）氫根離子的液滴乾燥相關的鹽類沉澱機制。」

在初步評估中，研究團隊發現，他們的製造策略顯著減少了液滴和鹽類晶體的累積，從而提升了CO₂電解還原系統的穩定性，使其在200 mA/cm²的條件下，穩定運作時間從約100小時延長至超過500小時。

這項研究提出的策略未來有望進一步測試並應用於其他CO₂轉化電解槽，以提升其穩定性。這將有助於推動相關技術的發展，並促進其未來的大規模應用。「這項研究的一個關鍵成就是，我們利用疏水錶面塗層在液滴乾燥前將其從流動通道中去除，從而提高了電解槽的操作穩定性。」研究人員補充道。「在未來的研究中，我們還將探索是否能夠透過結合疏水塗層技術與最佳化的氣體擴散電極設計或其他鹽類去除策略，進一步提升CO₂RR的穩定性。」