电催化二氧化碳还原中的三相界面调控

李岚泽; 温杰欣; 张圣波; 马晨曦; 殷骏; 雷琼

doi:10.7536/PC20250633

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (1) :130-140 DOI: 10.7536/PC20250633

综述与评论

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电催化二氧化碳还原中的三相界面调控

李岚泽 ¹ ,
温杰欣 ¹ ,
张圣波 ¹ ,
马晨曦 ¹ ,
殷骏 ²^,^* ,
雷琼 ¹

作者信息 +

Triple-Phase Interface Engineering in Electrocatalytic CO₂ Reduction

Lanze Li ¹ ,
Jiexin Wen ¹ ,
Shengbo Zhang ¹ ,
Chenxi Ma ¹ ,
Jun Yin ²^,^* ,
Qiong Lei ¹

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摘要

催化材料由于其在凝聚态中所具有的多层次结构特征（如缺陷类型、表面与界面构型和润湿性等），为催化反应提供了多维度的调控空间。其中，精准调控物相结构，是优化催化性能的关键策略，可有效拓展反应界面并提升效率。电催化二氧化碳还原反应（eCO₂RR）作为典型的固-液-气三相界面反应，其反应动力学与性能本质上取决于催化剂表面三相界面的空间分布与动态特性。因此，调控三相界面以最大化反应界面是提升eCO₂RR性能的有效途径。本文系统回顾了从固-液界面到固-液-气三相界面的发展历程，深入探讨了在eCO₂RR体系气体扩散电极上构建稳定三相界面面临的主要挑战，并综述了通过增强疏水性调控三相界面的最新进展。特别指出，实现疏水性与亲水性间的精细平衡（即最佳润湿性）是构建高效三相界面的关键：一方面需保持足够疏水性以抑制电解液过度浸润，另一方面又要维持适度亲水性以保障电解液中反应物/离子供给。二者的动态平衡可显著优化三相界面结构，改善反应物传质并提高催化剂活性位点的有效利用率。本研究不仅为eCO₂RR体系提供了新理论指导，也为其他涉及气体的电化学过程（如电催化水分解、氮气还原）中高效三相界面的设计提供了重要参考，有望推动可持续能源技术发展，助力碳中和目标实现。

Abstract

Catalytic materials offer multidimensional tunability for catalytic reactions， owing to their multi-level structural features in the condensed state， such as defect types， surface and interface configurations， and wettability. Aimed at maximizing reactive interfaces and enhancing catalytic efficiency， modulating hierarchical phase structures has emerged as a pivotal strategy for performance optimization in catalytic systems. The electrocatalytic CO₂ reduction reaction （eCO₂RR） system， as a typical solid-liquid-gas triple-phase interface reaction， inherently exhibits reaction kinetics and catalytic performance governed by the spatial distribution and dynamic characteristics of the triple-phase interface on catalyst surfaces. Therefore， the regulation of the triple-phase interface to maximize the reaction interface is a potent pathway to enhance the catalytic performance of eCO₂RR. This perspective systematically reviews the evolution from traditional liquid-solid biphasic interfaces to advanced solid-liquid-gas triple-phase interfaces delves into the primary challenges of constructing stable triple-phase interfaces on gas diffusion electrodes within the eCO₂RR system and summarizes the latest advancements in regulating the triple-phase interface by enhancing hydrophobicity. Achieving a fine balance between hydrophobicity and hydrophilicity （i.e.， optimal wettability） is crucial for constructing an efficient triple-phase interface. On one hand， sufficient hydrophobicity is required to prevent excessive electrolyte infiltration: on the other hand， moderate hydrophilicity must be maintained to ensure the supply of reactants/ions from the electrolyte. Their dynamic equilibrium can significantly optimize the triple-phase interface structure， enhance mass transfer of reactants， and improve the effective utilization of catalytic active sites. These insights provide valuable guidelines for designing high-performance triple-phase interfaces in eCO₂RR and other gas-involving electrochemical processes， thereby promoting the development of sustainable energy technologies.

Contents

1 Introduction

2 Condensed matter chemistry and eCO₂RR

3 Evolution of solid-liquid-gas interfaces and their challenges in catalysis

4 Condensed-matter-based strategies for triple-phase interface regulation in eCO₂RR

4.1 Triple-phase interface construction

4.2 Wettability regulation

4.3 Micro⁃nano structure design

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

凝聚态化学 / 电催化二氧化碳还原 / 三相界面

Key words

condensed matter chemistry / electrocatalytic CO₂ reduction / triple-phase interface

引用本文

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李岚泽, 温杰欣, 张圣波, 马晨曦, 殷骏, 雷琼. 电催化二氧化碳还原中的三相界面调控[J]. 化学进展, 2026, 38(1): 130-140 DOI:10.7536/PC20250633

Lanze Li, Jiexin Wen, Shengbo Zhang, Chenxi Ma, Jun Yin, Qiong Lei. Triple-Phase Interface Engineering in Electrocatalytic CO₂ Reduction[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(1): 130-140 DOI:10.7536/PC20250633

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1 引言

随着化石燃料的大量消耗和二氧化碳（CO₂）排放的持续增长，全球正面临日益严峻的环境问题，例如气候变化、海平面上升和海洋酸化等。这一局势迫使全球积极探索减排路径，其中CO₂的捕集、储存与转化成为重要的应对策略之一^［1］。通过利用低碳能源将CO₂转化为化学品和燃料，不仅有助于缓解极端气候带来的威胁，还为满足日益增长的能源需求提供了新途径，因而受到广泛关注^［2］。在众多转化技术中，电催化CO₂还原反应（Electrocatalytic CO₂ reduction reaction，eCO₂RR）因其技术条件温和、对环境影响较小，尤其是在与太阳能、风能等可再生能源结合时展现出广阔的发展潜力，逐渐成为学术界和工业界的研究热点^［3］。

eCO₂RR涉及多步质子-电子转移和反应中间体的偶联过程，能够生成多种还原产物，包括一碳产物（即C₁，如甲烷、一氧化碳、甲酸）与多碳产物（即C₂₊，如乙烯、乙醇、丙醇）^［4］。目前，针对两电子转移产物（如一氧化碳、甲酸）的高效转化工艺已较为成熟，但如何实现多电子转移路径中多碳产物的高选择性仍是该领域亟需解决的核心科学问题之一^［5］。此外，在长时间运行过程中，催化剂活性位点容易发生钝化而导致稳定性不足，这些问题严重制约了eCO₂RR技术向工业化方向的进一步拓展^［6］。为应对上述挑战，研究者围绕催化剂的组成、结构与表面化学开展了多尺度、系统性的调控，核心目标在于提升活性位的本征活性。典型策略包括调控催化剂的电子结构^［7］、暴露更多有利晶面^［8］或构建缺陷位点^［9］，可以显著提升催化剂的反应活性、选择性和稳定性。与此同时，研究逐步认识到，催化剂所处的凝聚态环境（如相/界面构型、表面润湿性与微/纳层级结构）对eCO₂RR也具有关键影响^［10］。与传统物理化学过程不同，这些因素不仅影响CO₂等反应物的传质与供给，更可通过精确设定局部微环境中的CO₂/H₂O比例^［11-12］、pH值^［13］与离子浓度^［14］等参数，调控反应中间体在催化剂表面的吸附-脱附行为，显著改变反应路径，从而对催化性能产生决定性作用。随着研究的深入，“凝聚态化学”的理念逐渐引入催化领域，用以描述在凝聚态物质中，“组成-多层次结构-性质-功能”之间的内在联系，以及这些因素对催化反应过程的深远影响。需要指出的是，本文所指的“凝聚态化学”概念有别于传统意义上的“材料化学”。后者主要关注材料的组成、制备方法及其宏观性能，而前者则聚焦于固态、液态等凝聚态体系中的多层次结构与反应微环境之间的协同作用，探讨其如何影响反应动力学与产物选择性。例如，缺陷结构的引入、界面环境的调控以及体系的动态演化等因素，均可显著改变反应中间体的吸附与转化行为，进而影响最终产物的分布及催化过程的稳定性^［15］。上述微环境参数共同构成了催化反应过程中可被工程化调控的关键维度^［16］。其中，对三相界面（Triple-phase interface）的精细调控在拓展有效反应界面、优化物质传递与局域反应环境、进而提升催化效率方面扮演着不可或缺的角色，然而该方向目前尚未被充分研究^［17］。

在eCO₂RR体系中，反应主要发生在气态CO₂、液态电解液与固态催化剂三者接触所形成的固-液-气三相界面区域。相比于传统的固-液两相界面（Dual-phase interface），三相界面中CO₂以气体形式直接参与反应，无需预先溶解在电解液中，从而显著提升了CO₂的供给速率和界面物质传输效率^［18］。这种构型有助于优化反应中间体的空间分布与偶联路径，是实现多碳产物高选择性生成的关键物理基础。同时，三相界面的引入不仅拓展了对电解质pH及电导率的适应范围，还有效增强了界面局域CO₂浓度与电子转移动力学，为推动eCO₂RR向高电流密度、工业级反应条件转变提供了重要支持^［19］。

为构建并精准调控高效的三相界面微环境，近年研究围绕相界面构建、润湿性调控和微纳结构设计等方面开展了大量探索。例如，通过构建亲水-疏水区域，可以同步优化气液两相的质量传递，从而有效稳定并扩展三相界面^［20］；而通过疏水性聚合物修饰^［21］和微纳结构设计^［22］等手段，则可显著提升界面CO₂通量与抗水淹能力。因此，将三相界面作为催化性能调控的核心空间，并结合结构设计策略对其进行精准调控，是推动eCO₂RR实现高效稳定转化的关键路径。

本文基于凝聚态结构调控的研究视角，系统回顾了eCO₂RR中界面结构从传统液-固双相构型向先进三相构型演进的过程；重点分析了气体扩散电极（Gas diffusion electrode，GDE）等典型构型中三相界面的构建方式及失效机制；并总结了当前在相界面构建、润湿性调控和微纳结构设计等维度对三相界面进行调控的代表性研究进展，旨在为构建高性能eCO₂RR体系提供理论支撑和实践启示。

2 凝聚态化学与eCO₂RR

凝聚态化学（Condensed matter chemistry）是一门新兴学科，专注于研究凝聚态物质中结构特征与化学功能之间相互关系^［23］。其核心在于突破传统“理想晶体”与“单分子反应”的研究范式，转向关注真实材料中普遍存在的结构缺陷、界面特性、相互作用以及多尺度结构层次对化学行为的决定性影响。这一视角强调材料的结构与性能密切相关，尤其聚焦于特定环境（如液态、固态或气液固界面）中发生的复杂化学过程。

从凝聚态化学的角度来看，eCO₂RR中的催化材料不再被视为理想晶体或单一组分的集合体，而是被理解为具有多层次结构的复杂体系。其催化性能受到相界面构型、微纳结构层次及物相分布等微环境因素的协同影响。这种研究视角为深入理解与优化eCO₂RR中的三相界面提供了全新的思路和方法。

3 固-液-气三相界面：构型演化与反应瓶颈

三相界面的概念并非在eCO₂RR研究初期便已确立。早期研究普遍采用固-液双相反应体系（如H型电解池），其中催化剂完全浸没于液态电解质中，气态CO₂需先溶解于电解液，再扩散至电极表面参与反应（图1a）。尽管这种固-液双向界面为eCO₂RR的发展奠定了初步基础，但其CO₂传质效率受到多重因素的限制，包括CO₂在水中极低的溶解度（约33 mmol/L，25 ℃，1 atm（1 atm=101325 Pa））、反应过程中局部CO₂的快速消耗以及碳酸盐缓冲机制导致的局部浓度衰减^［18］。这些限制因素共同导致反应活性不足，并使产物分布倾向于两电子还原产物（如一氧化碳、甲酸），难以高效生成多碳产物。

基于凝聚态化学的视角，研究者提出了构建固-液-气三相界面的新策略，以突破气体供给瓶颈并提升反应体系中多碳产物的选择性。本文所指的“凝聚态视角”，主要是将催化反应体系置于真实的凝聚态环境中进行整体性考察，不仅关注催化剂活性位点本身的化学反应动力学特征，还同时考虑其所处凝聚态体系（包括固态基体、液态电解液或固-液-气三相界面）中的组成、结构缺陷、表面润湿性及多尺度传质行为等，通过整合上述因素的协同作用，实现对催化反应整体过程的全面解析。三相界面的核心在于将气态CO₂直接输运至催化剂邻近区域，形成气相通道、液相电解质与固态催化剂共存的稳定界面（图1b）。这一理念催生了GDE等先进反应构型，显著提高了界面局部CO₂浓度与电子/物质传输通量，为实现高电流密度下多碳产物高选择性合成提供了关键物理基础^［24］。

三相界面构型的有效性源于其构建了一个动态、多尺度耦合的传质与反应系统：气相CO₂通过GDE背部通道和疏水层快速扩散至催化位点；液相电解质提供离子传导和质子源；固态催化剂则提供活性位点。这种协同作用极大地提升了电子、质子、气体反应物及中间体的耦合传递效率^［19］。因此，从两相界面向三相界面的演进，不仅是物理界面构型的变化，更体现界面功能与多相耦合能力的提升。这为实现高活性、高选择性和高稳定性的工业应用提供了路径。然而，尽管三相界面在eCO₂RR中具备优势，其工业化仍面临挑战^［5］。

首先，三相界面的稳定构建依赖于电极材料内部孔道和界面的连通性。这种连通性保证了气体、液体和固体三相能够在同一反应区域中充分接触，从而实现高效的传质与界面反应。然而，在反应启动阶段，三相界面极易受气体夹带液体、气体侵占液路等不可控因素的影响，从而导致界面结构塌陷和反应路径偏移（图2a）。因此，通过凝聚态结构设计实现稳固的初始相界面构建是确保三相界面稳定运行的首要前提。

其次，三相界面的稳定运行在于维持气体、液体与固体三者在界面处的协同作用，然而在实际运行过程中，这种协同关系极易被破坏，进而影响反应效率和产物选择性。其中，电极表面疏水性不足是最常见的失稳诱因之一^［25］。在反应进行过程中，电解液可能逐步侵润疏水层甚至渗透至气体扩散层（Gas diffusion layer， GDL），破坏原有的气体通道结构，导致CO₂传输受阻，三相界面显著减少（图2b）。同时，液相滞留也加剧了局部pH变化及副产物积累，进一步干扰主反应路径。严重时，电解质会淹没GDE的孔道，导致三相界面结构破坏（图2c）。这是高电流密度下eCO₂RR电解槽性能衰减的关键因素。因此，优化界面润湿性（亲疏水平衡）成为保障多相耦合机制稳定运行的核心需求。

更为复杂的是，eCO₂RR本身是一个同时消耗和生成气体的过程（如一氧化碳、乙烯等均为气体产物）。这意味着三相界面在反应过程中始终处于动态变化中，界面处的气-液压力分布与通量持续受到扰动。一旦因润湿性失衡导致三相界面受损，催化位点将面临CO₂传质受限，工况退化为固–液两相界面；此时动力学更占优的析氢反应将迅速主导，显著削弱eCO₂RR的活性与选择性，且在高电流密度下尤为突出（图2d）。即便在反应前通过表面工程强化电极疏水性，运行过程中的外加电场仍可能驱动电解液渗入并加剧润湿，导致疏水性逐渐退化，最终引发三相界面失稳甚至“水淹”^［26］。因此，必须依托更精细的界面微纳结构设计与可动态响应的调控策略，方能在复杂工况下长期维持三相界面的完整与稳定。

综上，三相界面面临的挑战本质上源于凝聚态体系在界面构建、润湿性调控、微纳结构优化及动态响应能力等多维度的协同。

4 eCO₂RR中三相界面的凝聚态结构调控策略

为应对eCO₂RR过程中三相界面在产物选择性与体系稳定性方面所面临的挑战，研究者们基于凝聚态化学“结构-功能-反应”协同调控范式，发展出了多维度策略以精准优化三相界面的微环境。与传统以单一维度局部优化为主的调控方式不同（如仅通过晶面暴露提升活性位点数量，或仅通过电位、电解液组成等因素改进某一反应步骤），本研究提出的凝聚态化学“结构-功能-反应”协同调控范式，强调以凝聚态体系的整体性出发，将催化过程涉及的三个关键维度——材料结构设计、界面功能调节与反应路径选择，纳入统一调控框架并实现耦合协同。其中，材料结构设计聚焦晶格缺陷调控、孔道连通性优化、表面微纳米层级构建等；界面功能调节侧重润湿性空间分布、界面电场强度调控等；反应路径选择则针对中间体吸附能垒调控、C-C偶联路径优化等关键环节。通过对三者的协同调控，实现对活性、选择性与稳定性的综合提升。本节将系统综述以下关键策略的代表性进展：

4.1 相界面构建

稳固的初始相界面是三相界面持续运行的前提，通过在催化剂层内部引入具有亲水性与疏水性区域共存的结构，可以有效协调气、液相的供应通道，从而显著提高反应物的传质效率与界面稳定性。例如，葛磊课题组设计了一种中空纤维GDE，通过向活性位点持续输送对流气体，增强了传质能力并显著提升了催化位点附近的气体可达性^［27］。这一策略已被证明是构建高效三相界面的一种有效手段。

袁志国课题组^［20］开发了一种贯通式中空纤维GDE，在其铋催化剂层内部构建了独特的亲水-疏水协同区域，成功实现了相界面的构建（图3a）。这一界面结构显著促进了气体和液体的同步传输，增强了三相界面的形成稳定性，并提升了催化剂表面活性位点的可及性。与传统全亲水性电极相比，该策略显著提高了催化剂的利用率（>80%），并在中性条件下实现了高达约150 mA/cm²的甲酸盐分电流密度，其法拉第效率超过90%，性能远超未处理对照样品（图3b）。

Apfel课题组^［28］则采用热压法构建了一种层次分明的4层GDE结构，包括：i）离聚物表面涂层；ii）聚四氟乙烯（PTFE）黏结的催化剂层；iii）微孔层（MPL）；iv）GDL。该结构实现了从电解液至催化界面逐层过渡的润湿性梯度，有效完成了气液相协同界面的构建（图3c， d）。在1 mol/L KOH电解液中，该电极在200 mA/cm²的高电流密度下稳定运行，主要生成乙烯和乙醇，且观察到正丙醇生成，法拉第效率达到7%（图3e）。

此外，该策略也被成功拓展至其他多相反应体系中。张铁锐课题组^［29］在苯甲醇（Benzyl alcohol， BA）转化为苯甲醛的研究中，构建了一种“三明治”型“有机-固体-水”三相反应体系（图3f）。通过在有机-水相边界处插入一种类Janus多孔电极，实现了高效三相界面的构建。该电极由超疏水有机相β-Ni（OH）₂纳米片负载于超亲水碳基载体上组成，具备显著的三相分布调控能力。最终，该体系实现了高达97.0%的苯甲醛法拉第效率，并在连续运行800 h后仍保持优异的结构与反应稳定性（图3g）。

基于亲疏水区域协同构建的界面调控策略，已在多种固-液-气三相反应体系中展现出广泛的适用性与高效的界面传质性能，成为实现三相界面稳定构建与功能拓展的重要方向之一。该策略旨在提升相界面反应区的接触效率，可在催化过程中维持稳定的气体供给与离子传导，但对结构复杂度与制造一致性提出了较高要求。

4.2 润湿性调控策略

相界面的成功构建为三相界面提供了必要的物理基础，而界面润湿性的精准调控则是维持三相动态平衡的核心环节。在高电流密度下，由于疏水性不足引发的电解质浸润与孔道淹没成为三相界面失稳的主要因素^［30］。因此，通过凝聚态结构设计实现对三相界面润湿性的调控，成为抑制副反应、提升产物选择性与增强体系稳定性的关键突破点。

目前，常采用电化学沉积、化学接枝和配体连接等方法在催化剂表面引入疏水性有机分子，以调控其表面润湿特性。此类分子具有较低的表面自由能，能有效提升催化界面的疏水性，是开展润湿性工程的关键途径之一^［10］。

在众多策略中，于催化剂表面或气体扩散层上引入疏水性涂层，因路径直接、工艺通用而成为最为广泛采用的界面优化方法。彭扬课题组^［31］采用静电纺丝技术，在铜基GDE表面构建了聚阳离子鞘层，并提出“金属-有机双层”模型以描述三相界面结构（图4a）。该电极在碱性流动池中展现出了优异性能：在300 mA/cm²的电流密度下，多碳产物的法拉第效率达到91.2% ± 3.8%，并可连续稳定运行超过300 h（图4b， c）。

然而，尽管表面涂覆策略能够显著提升疏水性并在一定程度上抑制析氢反应，该策略既无法增加活性位点的总量，也存在遮蔽原有催化位点、降低有效比表面积等潜在风险。为在抑制析氢副反应的同时拓展三相界面面积并提升本征催化活性，近年来聚合物/分子与催化剂的协同掺杂策略逐渐受到关注。冯晓峰课题组^［32］通过在Bi基催化剂层中引入疏水性PTFE纳米颗粒，实现了对GDE微环境的精准调控（图4d）。在-0.7 V（vs. RHE）电位与15 sccm（1 sccm=1 cm³/min）CO₂气流条件下，该结构实现了高达86%的甲酸转化率（图4e）。研究表明，适度的催化剂层疏水性有助于在催化层内部建立气体与液体供给的动态平衡微环境，从而有效减小扩散层厚度，加快CO₂的传质过程，并在固-液-气三相界面附近形成具有高度催化活性的反应区，显著提升了反应速率与选择性。又如王天富课题组^［33］通过在PTFE基底上负载铜催化剂，构建了具有强疏水性的GDE，为大电流密度下的高效二氧化碳转化提供了一种高稳定性方案。润湿性调控旨在于电解液浸润与气体扩散之间实现平衡，避免电极水淹或电解液供应不足；该策略可快速有效调节反应物供给、提升产物选择性，且便于与现有电极/膜组件集成，但在长期运行中润湿性可能发生变化，需监测并适时校正。

4.3 微纳结构工程策略

上述润湿性调控的化学修饰方法（如涂覆或掺杂疏水聚合物或分子）存在显著的局限性，包括：可能遮蔽催化剂的活性位点；降低电极导电性；在反应过程中易于被冲刷脱落。相比之下，自然界提供了一种精妙的策略来实现疏水性——既能捕获气体又能排斥水分，从而形成理想的固-液-气三相界面，以维持生物体的生存功能。从荷叶到水蜘蛛，这些天然的疏水表面均依赖于多级微纳结构，这些结构显著提升了表面粗糙度。受这些自然现象的启发，研究人员发展了微纳结构工程，用以精确调控GDEs中的三相界面，实现润湿性的动态稳定调控，显著提升了eCO₂RR的性能。

高敏锐课题组^［34］制备了一种仿生铜催化剂，其气体扩散层结构模拟狗尾草疏水叶片的独特分级构造（图5a）。这种分级铜结构赋予CO₂还原电极足够的疏水性，成功构建出稳定的固-液-气三相界面。该界面不仅能够将更多CO₂分子引导至铜活性表面附近，还能有效抵抗高电流运行条件下的水淹问题。基于此，在流动池中实现了在（255 ± 5.7） mA/cm²电流密度下达64% ± 1.4%法拉第效率的C₂₊产物选择性（图5b，c），并在300 mA/cm²电流密度下连续稳定运行超过45 h（图5d），其综合性能显著优于传统的可浸润铜基电极。

韩布兴课题组^［35］通过原位电合成技术构建了一种具有三维分级微纳结构的金属/聚合物-碳纸GDE（M/polymer-CP），该结构同时实现了高效电子传输与快速CO₂扩散（图6a）。如图6b所示，通过三维微纳结构工程调控制备的GDE（I方法），相较于其他方法制备的不同形貌聚合物复合电极，如聚合物表面滴涂金属纳米颗粒（II方法）、聚合物-金属混合溶剂热合成（III方法）以及电沉积金属纳米颗粒（IV方法）等，在催化效率与运行稳定性方面表现出色，实现了高达59.4%的乙烯法拉第效率（图6c， d）。深入机制研究表明，其性能优势主要得益于三维分级金属结构与原位构建特性的协同作用：分级结构提供了高比表面积和丰富的缺陷位点，显著增强了催化活性；聚合物的疏水性保证了稳定的气体供应，提高了产物选择性；而原位沉积则大幅度降低了金属/聚合物与聚合物/碳纸界面间的电荷转移电阻。此外，三维微纳结构实现了金属的高度分散，有效抑制金属颗粒团聚，从而进一步提升了电极的稳定性。综上所述，微纳结构工程展现出双重功能优势：一方面赋予界面适宜的疏水性以维持稳定的三相界面，另一方面在电极表面构筑了丰富的活性位点，从而显著提升了eCO₂RR的整体催化性能。微纳结构工程可在不改变催化剂成分、不降低导电性的前提下，优化中间体的吸附与耦合，并构建快速传输通道以缩短扩散路径；然而，形貌与缺陷的可重复性及其长期稳定性是实施难点。

5 结论与展望

eCO₂RR作为典型的多相界面反应体系，其反应动力学与催化性能本质上受制于催化剂表面三相界面的空间构型与动态演化特性。本文基于凝聚态化学视角，系统梳理了三相界面的构型演进与失效机制，并深入探讨了凝聚态结构调控对相界面构型、润湿性调控及微纳结构设计的协同作用。一方面，稳固的相界面构建是三相界面持续运行的首要前提，为固-液-气三相接触和反应提供了空间，另一方面，界面润湿性的精准调控则是维持三相动态平衡的核心环节，这种动态演化特性通常通过化学手段平衡亲疏水性，以实现三相间的动态平衡。为进一步提升产物选择性和系统稳定性，还需借助更为精细的微纳结构层次设计来保障界面的稳定性和反应的持续进行。

基于上述分析，可得出如下认识：从相界面构建、润湿性调控到微纳结构设计，这些凝聚态结构调控策略均可通过直接或间接的途径显著改善界面润湿性，其共同的作用机理在于有效提升体系的疏水性并稳定三相界面。基于此，本文提出以下展望。

（1）在三相界面体系的构建与运行过程中，界面结构坍塌以及反应路径偏移（如气体夹带液体、气体侵入液路通道）依然是亟待攻克的难题。为此，本研究提出将气、液两相动态平衡调控作为核心设计原则，通过构建具有精确调控的疏水/亲水微区分布的三相界面结构，实现物质传递效率与体系运行稳定性的协同优化。特别需要指出的是，催化剂本征润湿性的精准调控是实现固-液-气三相高效接触的决定性因素，这为设计高性能三相界面体系提供了新的理论指导。

（2）当前，三相界面润湿性调控研究主要聚焦于增强界面疏水性甚至超疏水化设计。这类策略虽然通过提高CO₂传质效率、抑制析氢副反应显著提升了eCO₂RR催化性能，但过度追求疏水性可能导致：i）液相传输受阻，三相界面构建失衡；ii）三相接触面积缩减，活性位点利用率下降。更值得关注的是，现有研究多采用聚合物/疏水分子掺杂量作为调控参数，而非直接以润湿性指标（如接触角）作为自变量，这种间接调控方式导致：i）润湿性调控窗口受限，且多集中在疏水性较强的区间（接触角140°~155°）；ii）所得“最优润湿性”往往偏离实际需求（接触角普遍>150°）^［36］。针对这一现状，张铁锐课题组^［37］通过直接调控Au/C GDE的接触角，首次建立了润湿性-催化性能的定量构效关系（接触角调控范围15°~175°），为优化三相界面结构提供了更具指导意义的参考。由此可见，亲水性与疏水性之间的精确调和以达到界面最佳润湿性，是优化三相界面构建、提升电催化性能的关键。

（3）精密的微/纳结构设计不仅提升了三相界面润湿性调控的灵活性，还能有效保留甚至拓展催化剂的活性位点暴露度，从而更充分发挥其本征催化优势。然而，在电化学过程中，电润湿效应会引发界面润湿性的动态变化，进而削弱三相界面的结构稳健性。大量研究表明，尽管初始可实现超疏水表面，但随反应进行常出现疏水性下降，反映出电润湿对界面结构的持续侵蚀。为此，引入具有介电疏水特性的材料（或构筑介电型疏水层）被认为是行之有效的对策，可显著抑制电润湿诱发的润湿退化，提升三相界面的抗失稳能力，并延长其服役寿命。

（4）三相界面的优化不仅对实验室规模的电催化性能提升至关重要，也对工业电解槽的设计具有重要启发。一方面，合理的三相界面调控能够有效缓解CO₂传质受限与电解液浸润问题，从而在高电流密度下长期稳定运行；另一方面，通过在气体扩散电极中引入疏水-亲水协同的区域化设计，可提高固-液-气三相反应区的利用效率，为大面积电极和堆栈式电解槽的结构优化提供参考。此外，三相界面调控策略具备良好的工程可扩展性，可为eCO₂RR的模块化和工业化应用奠定理论与实践基础。

总体而言，基于凝聚态结构的eCO₂RR调控尚未形成系统性的研究框架，其关键在于围绕三相界面的结构与润湿性开展协同优化。未来研究应着力推进亲/疏水性的精细调控，确定界面在实际工况下的“最佳润湿窗口”，以此实现三相界面的高质量构建与长期稳态维持，进而在高电流密度条件下同步提升反应效率与系统稳定性。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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