通讯作者：卢旭
第一作者：黄亮（现南开大学研究员），高歌，赵继武（现陕西师范大学副研究员）
通讯单位：阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01411-9
背景
电化学二氧化碳还原（CO2R）被认为是解决温室效应与实现碳循环经济的潜在途径。然而，大多数研究仍在使用较为理想化的常压CO2，难以对接实际工业场景。事实上，在碳捕集与封存（CCS）过程中，CO2通常以高压、高纯度的形式存在（HP-cCO2），并已在多个行业大规模应用。但如果只是捕集再储存，能耗高且缺乏经济效益。如何直接利用HP-cCO2，将“成本”转化为“价值”，是实现工业碳循环的关键问题。
研究亮点
有鉴于此，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）卢旭教授团队基于前期高压二氧化碳还原研究（Nature Communications 14, 2958, 2023；ACS Catalysis 15, 3505-3514, 2025），在顶级学术期刊Nature Catalysis发文提出了使用高压膜电极反应器（MEA），将HP-cCO2直接转化为高附加值的乙烯（C2H4）。性能亮点包括：
超高选择性与电流密度——在20 bar压力下，C2H4法拉第效率高达 85%，C2H4分电流密度可达 750 mA cm–2；
长时间稳定运行——在600 mA cm–2下稳定运行 1500小时，C2H4法拉第效率仍保持在80%以上；
工况拉曼谱学表征——通过MEA工况拉曼光谱表征阴极催化剂表面和催化剂-膜界面，揭示了高压促进C-C偶联与抑制盐沉积的机制；
能耗优势显著——相较于常压电解再压缩流程，该策略避免了反复降压-升压，整体能耗更低，展现出将CO2捕集转化为经济收益的潜力。
机理解析
该研究结合第一性原理计算与高压工况拉曼光谱，揭示了高压作用下的两个关键机制：
CO吸附构型改变——高压提高局部CO2浓度，调控*CO中间体比例和促进C–C偶联，从而选择性生成C2H4；
盐析抑制效应——高压条件下，反应主要在催化剂-膜界面区域，压力抑制碳酸根迁移到外催化剂层与碱金属阳离子结合，从而有效避免碳酸氢盐在气体扩散层（GDL）背面沉积。
这一“高压驱动”效应不仅突破了常压体系中乙烯选择性和稳定性的瓶颈，也为CO2电化学转化的长期工业应用提供了新范式。
图文导读
图1 ：高压CO2资源化技术路线——CO2从烟道气捕集、纯化、加压，到高压电解直接产C2H4，形成价值链。
图2：通过理论计算与表征揭示单原子修饰Cu催化剂在高压气相CO2R中促进C–C偶联与C2H4生成。
图3. In1/Cu在高压下表现出稳定的高C2H4选择性与电流密度，并抑制盐析。
图4. 器件工况拉曼光谱与理论分析表明高压促使碳酸氢根迁移至界面，从而降低C–C偶联能垒。
图5. 捕集的高压CO2在MEA中高效转化为C2H4，实现长时稳定运行和积极的技术经济前景。
结语
该研究首次实现了直接利用高压捕集CO2（HP-cCO2）电化学升值为乙烯，不仅显著提升了C2H4选择性与稳定性，还兼顾能耗与经济效益，展示了CO2捕集由“成本”走向“利润”的可能性。这一成果为CO2资源化利用开辟了新路径，也为未来工业级碳循环经济提供了新思路。
团队介绍
卢旭博士分别于2012、2013、2017年于香港大学机械工程系取得本科、硕士、博士学位，2017至2020年于美国耶鲁大学化学系进行博士后研究，2021年3月于沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）独立建组，专注高压电催化。团队成立迄今，原创科研成果已发表在《自然 · 催化》、《自然 · 通讯》（3篇）、JACS、ACS Catalysis、《德国应用化学》、Chemical Engineering Journal等国际顶级期刊，并由沙特阿美、ACWA Power、NEOM-ENOWA等公司资助进行工业级电解槽研发。
参考文献
Liang Huang, Ge Gao, Jiwu Zhao, William L. Roberts, Xu Lu*. Electrocatalytic upcycling of high-pressure captured CO2 to ethylene. Nature Catalysis (2025) DOI: 10.1038/s41929-025-01411-9.
