【海川科技前沿】上海交大团队利用三维泡沫流场突破CO2电解中传质与水管理瓶颈实现安培级CO2电解与高纯度CO输出

海川老鱼 · 发表于 2026-3-30 20:59:40

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上海交大团队利用三维泡沫流场突破CO2电解中传质与水管理瓶颈实现安培级CO2电解与高纯度CO输出

CO2低温电解制CO是衔接绿电与化工产业链的关键技术，能够将温室气体转化为合成气、羰基合成原料等高价值化学品。然而，该技术向工业放大过程中长期受困于传质不均、水管理失衡、盐沉积堵膜、大电流失活四大工程难题。传统肋-槽流场结构存在“传质-压降-稳定性”之间的固有矛盾，难以在安培级电流密度下同时实现高纯度CO的稳定制备。

近日，上海交通大学联合香港理工大学、天津大学在能源领域顶级期刊《Joule》发表突破性成果。研究团队创新提出三维泡沫流场结构，从根本上打破了传统流场的传输极限。实验结果表明，在1000 mA·cm-2的安培级电流密度下，该结构实现了90%的CO法拉第效率，CO纯度最高可达74 vol%，运行稳定性较传统方案提升14倍，为CO2电解技术的产业化应用扫清了关键工程障碍

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研究背景

利用可再生电能驱动CO2低温电化学还原（CO2R）制取一氧化碳（CO）等高值化学品，是实现碳中和目标的重要技术路径。当前，CO2制CO技术正逼近商业化门槛，但高昂的资本支出与运营成本严重制约其大规模工业部署，其根本原因在于大电流电解条件下，CO的产率（分电流密度j_CO）与产物纯度（C_CO）仍难以满足工业应用要求。现有优化策略多聚焦于催化剂本征活性的提升与气体扩散电极微环境的调控，尚未能从根本上突破体相传质瓶颈。

实现CO的产率（分电流密度j_CO）与产物纯度（C_CO）的协同，亟需对电解池的体相传质结构进行革新。传统的“脊-槽”型流场在优化传质过程中面临固有矛盾：为改善CO2分布均匀性、缓解局部“CO2缺失”，需将流道设计得更为窄密，但此举会引发压降急剧升高，诱发强制对流，进而导致严重的电解液泛滥与盐析问题。因此，如何设计一种既能保障CO2均匀高效供应，又能实现良好水管理的专属流场，已成为突破CO2电解工业化瓶颈的核心科学难题。

实现电化学CO2还原的工业化应用，要求在最大化转化吞吐量的同时确保系统长期运行稳定性。传统的脊-槽流场虽为标准配置，但其性能提升受到CO2传质、水管理与盐沉积行为之间固有权衡的严格制约。为突破上述耦合挑战，本研究引入三维泡沫流场架构。该设计利用互连的多孔结构提供适度对流传质，有效缓解局部“CO2饥饿”现象，并实现高效的被动水管理。在1000 mA·cm⁻²的工业级电流密度下，实现了90%的CO法拉第效率；优化传质使CO产物浓度高达74 vol%，单程转化率提升至43%。该装置展现出卓越的稳定性，衰减速率仅为基准设计的1/14，可维持超过400小时的连续稳定运行。本研究充分彰显了先进流场工程在解锁工业级CO2电解中的关键作用。

海川老鱼 · 发表于 2026-3-30 21:00:29