科學家構建三合一原位X射線平臺，揭示CO?電解中催化劑降解機制

基于膜電極組件（MEA，Membrane-electrode assembly）的二氧化碳（CO?）電解在工業規模化學生產中展現出巨大潛力，但長期穩定性仍然是一項關鍵挑戰。MEA 中催化劑和電極的衰減機制尚不完全清楚。針對這個挑戰，丹麥技術大學與歐洲同步輻射光源中心、Twelve 公司合作團隊聯合發布了他們的研究成果。

研究團隊開發出全球首個“三合一”原位同步輻射表征平臺，將廣角 X 射線散射（WAXS）、小角 X 射線散射（SAXS）與 X 射線熒光（XRF）聯用，能夠追蹤 MEA 中離子和水的運動、催化劑晶體結構的時空分辨演變。這項研究展示了原位 X 射線技術在闡明二氧化碳電解槽中催化劑和電極衰減方面的先進能力。

圖丨許秋成（來源：許秋成）

相關論文發表在 Nature Nanotechnology 期刊上，論文題目為《原位 X 射線表征平臺用于揭示 CO? 電解中加速應力測試下的催化劑降解機制》（Operando X-ray characterization platform to unravel catalyst degradation under accelerated stress testing in CO? electrolysis），丹麥技術大學許秋成博士（現洛桑聯邦理工學院博士后研究員）和何塞·A·薩莫拉·澤萊東（José A. Zamora Zeledón）博士是共同第一作者，丹麥技術大學布萊恩·塞格（Brian Seger）教授和歐洲同步輻射光源中心雅庫布·德涅茨（Jakub Drnec）研究員擔任通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Nanotechnology）

研究開發了全新的整合 WAXS、SAXS、XRF 的原位同步 X 射線表征平臺。在該平臺中，WAXS 可用于觀察整個 MEA 中催化劑晶體演變和水運動，而 SAXS 可以更深入地了解催化劑中納米顆粒的整體形態變化，XRF 的加入有助于識別電解過程中金屬離子的積累和擴散。團隊將三項技術整合在一個平臺中，揭示了在基于 MEA 的 CO? 電解槽中，在脈沖式加速壓力測試（AST）下 Ag 和 Au 催化劑的降解機制。

（來源：Nature Nanotechnology）

在電化學研究中，AST 通常用于快速評估電極的耐久性和電化學系統的穩定性。而在傳統的水電解 AST 中，這是通過直接提升施加的電流密度來實現的，但這一方式容易加劇鹽析的快速發生，來自陽極的陽離子與陰極生成的碳酸鹽、碳酸氫鹽結合，逐漸在氣體擴散電極附近沉積。最終，鹽分堆積導致電解器堵塞，系統提前失效。這類故障并非由催化劑本身的降解引起，而是由電極周圍的嚴重鹽沉淀觸發，容易造成對催化劑穩定性的誤判。

（來源：Nature Nanotechnology）

為解決這一問題，研究團隊創新性地提出了脈沖式加速壓力測試（AST）方案：通過周期性交替施加高電流密度與非反應電位，為離子遷移與釋放提供“緩沖期”，有效抑制鹽分在 GDE 的累積。與傳統的持續高電流模式不同，脈沖 AST 顯著減少了鹽析引發的堵塞，使電解系統能夠更長時間穩定運行，并將實驗終止的主要原因從“鹽堵導致的失效”轉變為“催化劑真實衰減”，從而更準確地反映電極材料的本征穩定性。

在脈沖 AST 方法下，團隊比較了 Au 與 Ag 兩種模型催化劑的衰減過程。研究表明，晶相催化劑的穩定性和催化劑-基底粘附性對 MEA 的耐久性至關重要。WAXS 和 SAXS 表明，Au 催化劑具有堅固的晶體結構和穩定的催化劑-基底粘附性，在加速應力測試下保持穩定性，而 Ag 催化劑則由于顆粒團聚、不良的溶解-重結晶過程和分離而降解。

（來源：Nature Nanotechnology）

與此同時，該研究提出了緩解催化劑衰減的未來方向。晶面工程和穩定合金設計提供了有前景的方法，但需要進一步的基礎研究和開發。在電極方面，碳基底通過氮、氧或硫可以增強納米顆粒的附著力，減少其脫離和團聚。許秋成對 DeepTech 進一步說道：“合適的離聚物可以捕獲溶解的金屬離子并進行再沉積，防止顆粒間的再沉積；同時，緩沖離聚物有助于調節局部 pH 值，從而減輕腐蝕?！?/p>

據介紹，這項工作是團隊兩年系列研究的“集大成”。此前，他們已用同步輻射 WAXS 進行 CO?/CO 電解研究，報道了鹽析、GDE 堵塞等現象；在后續研究中又解析了陽離子與水在 MEA 中的運移規律。但此前使用的單一 WAXS 技術有局限性，直到鹽析發生前，它無法檢測到離子濃度的積累，也無法追蹤催化劑顆粒的團聚，依賴單一的譜學技術限制了其全面捕捉工程設備中多種物理現象復雜相互作用的能力。

最終，研究團隊在本次研究中把 WAXS–SAXS–XRF 三位一體化，并引入脈沖 AST，為 CO? 電解器失效機理與穩定性評估與快速優化提供了可靠、高效的新策略。

參考資料：

1.Xu, Qiucheng, et al. Operando X-ray characterization platform to unravel catalyst degradation under accelerated stress testing in CO2 electrolysis. Nature Nanotechnology (2025). https://www.nature.com/articles/s41565-025-01916-1

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