利用清洁电能电化学还原二氧化碳（CO₂R）为解决温室气体CO₂排放和高附加值化学品和燃料生产提供了一个有前途的策略。在强酸电解质(pH≤1)中，CO₂R过程几乎没有碳酸盐的损耗，能极大地提高CO₂利用率。然而在强酸环境中，析氢反应(HER)较强，大幅降低了CO₂R法拉第效率和能量效率。此外在强酸环境中，催化剂易腐蚀，CO₂R性能迅速恶化。

近日，南京大学钟苗课题组通过改进电极结构，在电催化剂表面涂覆一层不导电的纳米多孔SiC-Nafion™层，调控电解液中离子传导，实现了强酸环境下高效稳定的CO₂R制甲酸、一氧化碳和多碳产物。

本文提出构建分级电极结构，在催化剂表面喷涂了不同厚度的纳米多孔SiC-Nafion™层。微米级厚度的纳米多孔SiC-NafionTM离聚物复合结构有利于K⁺的运输同时限制OH⁻的扩散，在电还原反应过程中实现电解液pH梯度分布，并稳定催化剂表面的pH值接近中性，从而保护电催化剂在长时间CO₂R过程中免受强酸的腐蚀，同时催化剂表面富集K⁺，均有利于提高CO₂R动力学过程以及降低析氢反应。

作者测试了在酸性环境下CO₂R反应过程中不同SiC-Nafion™厚度下催化剂表面pH值，并与COMSOL模拟结合。结果证实，当SiC-Nafion™厚度达到2 μm以上时，催化剂/SiC-Nafion™界面的pH值趋于中性。

作者通过对有无SiC-Nafion^TM涂层的SnBi催化剂在酸性CO₂R反应后的表征清晰地解析了表面pH值对CO₂R过程中电催化剂组成和结构变化的影响。当有SiC-Nafion^TM涂层时，催化剂在强酸环境反应100小时前后，表面形貌几乎没有发生变化，结合Pourbaix图，作者提出在pH值近中性时，催化剂Sn表面会形成Sn/SnO₂固态界面，这是能够稳定催化剂结构和催化活性位点的重要原因。

在三种代表性CO₂R催化剂SnBi，Ag，Cu上负载SiC-Nafion™，并在酸性电解液中（0.05 M H₂SO₄ with 3 M KCl, pH = 1）进行了CO₂R性能测试，验证了该电极结构在三种催化剂上均能显著提高其在强酸环境中的稳定性。特别地，使用分层SiC-Nafion™/SnBi/PTFE电极，在100 mA cm⁻²电流密度下，在pH为1的电解液中实现了>90%的甲酸法拉第效率，单次碳转化效率>75%，并能稳定高效电还原CO₂制甲酸达125小时。除此之外，作者还在不同的器件中均实现了优异的电还原CO₂制甲酸的性能，使用分层导电SiC-NafionTM/SnBi/Cu/PTFE电极，作者在含超薄阴极电解液层的MEA电解槽中实现了在100 mA cm⁻²电流密度下近90%的甲酸法拉第效率，可以连续运行60小时。

综上，作者阐明了构建电极分层结构，是长时间稳定且有效调控催化剂表面pH值和局部K⁺的富集的要素，是电催化剂在酸性环境中能稳定高效电还原CO₂的关键因素，且这种电极结构工程具有普适性。