近日，我院天池英才特聘教授-韩生，携手苏州大学彭扬教授、上海应用技术大学熊力堃副教授以及南京理工大学陈龙飞副教授，在国际化学类顶刊《Journal of the American Chemical Society》（中科院I区Top期刊，IF= 15.6）上，发表了题为“Spatial Ion Redistribution Enables Stable Ethylene Synthesis in Acidic CO₂ Electrolysis”的研究论文。

在“双碳”目标驱动下，利用可再生电力将CO₂电化学转化为高值化学品（如乙烯）已成为能源催化领域的研究热点。然而，在酸性电解体系中，由于高浓度H₃O⁺的竞争性析氢副反应，高选择性、高电流密度下的多碳产物（特别是乙烯）合成极其困难，因为C₂产物合成所需的C–C偶联反应需要局部碱性微环境。传统策略通过调控双电层富集碱金属阳离子，但在工业级电流密度下，阳离子易达到饱和堆积的“平面拥挤极限”，不仅压缩了反应中间体耦合空间，还加剧了气体扩散电极内的盐析堵塞，导致选择性与稳定性急剧衰减。如何在酸性、高电流条件下同步突破选择性瓶颈与稳定性壁垒，是当前该领域亟待解决的核心挑战。

针对上述痛点，作者提出了一种精巧的“离子门控”策略，通过在铜催化剂表面构筑具有离子筛分功能的多孔覆盖层，将离子管理空间从平面纳米尺度拓展至立体微米尺度，实现了催化表面与体相电解质之间离子输运的动力学解耦。所设计的层级结构是以Cu纳米颗粒为活性基底，在其上层分别构筑了“含镍单原子的多孔碳纳米笼（PCN-Ni）储层”与“聚三嗪纳米笼（PTNs）缓冲层”，形成三层功能分化的串联电极架构（PTNs/PCN-Ni/Cu）。这种“分层协同”的离子门控策略，本质上是通过三维多孔结构的限域效应，实现离子的空间重分布，打破了传统平面界面的固有局限，为酸性CO₂电解的稳定性提升提供了全新范式。

示意图 通过层级界面工程打破酸性eCO₂R中的平面阳离子拥挤限制

经过系统测试，这款搭载离子门控层的电极在酸性体系中展现出令人瞩目的性能，完全满足工业应用的核心需求：（1）高选择性：在pH=2的酸性电解液、于400 mA cm⁻²的工业级电流密度下，乙烯法拉第效率达到61.1±3.4%，总C₂₊产物（含乙烯、乙醇等）法拉第效率高达86.2±2.1%，远超传统裸Cu电极；（2）高碳效率：单程碳效率最高达53.4%，是碱性体系理论最大值的2倍多，从根源上减少了CO₂转化过程中的碳损失；（3）高稳定性：在工业级电流密度下稳定运行时间突破227小时，即使提高电解液中K⁺浓度，仍能稳定运行超150小时，彻底解决了传统电极的盐析失活问题，达到当前酸性CO₂电解制乙烯领域的高水平稳定性。该离子门控策略并非针对单一体系的优化，其核心思路可迁移至其他电催化反应，为界面离子调控提供了通用的工程方案，具有广泛的应用前景。

该工作是在我院天池英才特聘教授韩生与苏州大学彭扬教授、上海应用技术大学熊力堃副教授共同指导下完成。论文第一作者为石河子大学与苏州大学联合培养博士生马慕天，共同第一作者包括上海应用技术大学熊力堃、北京工业大学魏乐。第一通讯单位为石河子大学化学化工学院。

                                          (图文：马慕天；初审：张海洋；复审：刘平；终审：徐炜杰)