背景介绍
化石燃料的大量使用使得温室气体如二氧化碳（CO2）大量排放到大气中，从而引起了一系列的环境问题。而通过电催化二氧化碳还原（eCO2RR）技术可以将CO2转化为高价值化学品，为上述问题提供了技术支撑。对于eCO2RR反应器，离子交换膜（IEM）对于二氧化碳转化为有用产品的能量效率方面起着关键作用，每种离子交换膜都有着不同的优缺点，而其中阴离子交换膜（AEM）往往表现出更高的效率和产物选择性等优点，因此在CO2RR中具备巨大的应用潜力。本文综述了近年来AEM在eCO2RR中的研究进展，重点讨论了AEM的作用机制、合成方法、以及优化策略。
文章亮点
1. 对阴离子交换膜在电催化二氧化碳还原中的结构组成和作用机理进行了系统的讨论与概括；
2. 全面讨论梳理了用于电催化二氧化碳还原的阴离子交换膜的制备方法，既涵盖了常用的合成方法，同时对进一步的改性做出概括，对比各方法和商用膜对二氧化碳还原选择性的不同，为商业化制备方向提供参考；
3.从实际应用的角度出发，分析了当前阴离子交换膜在电催化二氧化碳还原中中面临的挑战，为高性能商业化阴离子交换膜的设计与开发提供了参考。
内容介绍
1 AEM在电催化CO2RR中的基本原理
1.1 电催化CO2还原基本原理
电催化还原的机制涉及复杂的电子转移过程和中间体的形成，反应路径的选择性受到催化剂的结构、反应器、反应条件(如电压、温度、压力)以及电解液组成等多方面影响。其中催化剂的设计旨在降低反应能垒，提高产物的选择性和产率[11]。例如，铜催化剂偏好生成多碳产物，而银或金则倾向于生成一氧化碳。这些催化剂通过调节表面电子结构和反应中间体的稳定性，有效控制反应的路径。
1.2 AEM的结构及作用机理
此外对于电催化CO2RR中，AEM的存在不仅涉及离子的传输和分离，还影响着反应微环境环境，从而影响着最终性能。AEM通过选择性传输氢氧根离子(OH-)，在阴极侧形成碱性环境，从而促进CO2的还原反应。这种碱性环境有助于提高CO2还原反应的速率和选择性，特别是对于生成多碳产物的反应路径[33,34]。因此，关注AEM的结构性能，通过优化AEM的聚合物骨架和官能团结构等结构，可以有效提高电催化CO2RR的性能。
2 AEM的合成方法及进展
二氧化碳电还原中阴离子交换膜AEM在碱性条件下具有高选择性和高反应速率，此外在阴极侧形成的高pH环境允许使用非贵金属催化剂。但在碱性环境中的化学稳定性不足、阴离子产物交叉和电导率的不足，界面电阻损失，严重影响了实际操作。可对AEM的特定结构和基团进行合理设计，通过设计新型聚合物主链，膜的改性，以及优化阳离子官能团上的结构等设计等手段来进行调控以实现其电导率、稳定性等性能的提高。
2.1 AEM的合成
AEM作为电化学系统中的关键部件。其效率和稳定性等性能的影响对系统的影响是关键的。而不同的合成方法对与膜的性能和商业化有着很大的影响。目前在eCO2RR中AEM的合成主要通过聚合物共混、静电纺丝等方法实现[35-37]。
2.2 AEM的改性
由于制成的AEM往往具有某些方面的不足，如机械强度差、离子电导率低、化学稳定性差等缺点，这些都影响着AEM在eCO2RR领域中的应用。为了改善这些关键性能，研究者们开发了多种改性方法，主要包括共混改性和表面改性。这些改性方法通过优化膜的结构和性能，显著提升了AEM在电催化CO2RR中的应用效果。
在eCO2RR中接枝改性是最普遍的表面改性方法，接枝改性通过化学键合将改性剂固定在膜表面，形成了一个带有基团的膜，然后这些基团被化学键合和接枝，往往具备更稳定的改性层。Willson等[46]通过辐射接枝将乙烯基氯化苄(VBC)单体共接枝到电子束活化的乙烯-共四氟乙烯(ETFE)上，然后和3种不同的头部基团(三甲胺、N-甲基吡咯烷或N-甲基哌啶)制备了胺化苄基-三甲基铵、苄基-N-甲基吡咯烷和苄基-N-甲基哌啶(MPIP)。以此为基底制备了不同厚度的阴离子交换膜，具有高离子电导率和耐久性，使其成为CO2的有前途的替代品。Sun等[47]通过接枝机械和化学稳定的聚乙二醇(PEG)形成聚苯乙烯-乙烯共聚物(SEBS)。研究表明，当受到拉伸应变时，这些基于SEBS的AEM的断裂伸长率高达500%，是使用聚苯乙烯作为主链的AEM的断裂伸长率的80倍，而AEM的离子交换容量(IEC)、电导率、尺寸和机械性能在60 ℃的2.5 mol/L KOH中保持约3 000 h不变，表明基于PEG接枝的SEBS的AEM具有出色的碱性稳定性。此外通过TEM表征，PEG的接枝可以扩大离子传导通道的尺寸，在80 ℃时，AEM的电导率从29.2 mS/cm提高到51.9 mS/cm。基于这些优异的性能，该膜在电化学能量转换中有很大潜在的应用价值。
3 总结与展望
电催化二氧化碳还原(eCO2RR)技术对减缓气候变化、工业脱碳和可再生能源整合具有重要意义。阴离子交换膜作为极其重要的反应器组件，仍面临诸多挑战。因此研究低成本性能优异的阴离子交换膜具有重要意义。本文综述了阴离子交换膜在二氧化碳电化学还原中的作用机理和合成改性方法。随着电还原二氧化碳技术的不断深入发展，开发新型用于二氧化碳电化学还原的AEM也面临众多挑战，如阴离子产物和CO2渗透问题、化学和机械稳定性不足以及较大的界面电阻损失等。在未来的设计中，为了进一步推动AEM在eCO2RR中的应用，未来的发展方向应集中在材料创新、性能优化和系统集成等方面。
通讯作者介绍
王正军
个人简介
温州大学化学与材料工程学院，硕士生导师，洪堡学者（资深）。主要研究方向为绿色有机合成和电催化小分子高值化转化。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中国博士后科学基金等科研项目。目前，以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文30余篇。
主要研究方向
绿色有机合成和电催化小分子高值化转化
近五年代表作
1. Zhou, L., Chen, X., Zhu, S., You, K., Wang, Z. J.,* Fan, R., Li, J., Yuan,Y., Wang, X., Wang, J., Chen, Y., Jin, H.,* Wang, S.,* Lv, J. J.*(2024): Two-dimensional Cu Plates with Steady Fluid Fields for High-rate Nitrate Electroreduction to Ammonia and Efficient Zn-Nitrate Batteries. Angew. Chem. Int. Ed., e202401924.
2. Lu, T., Xu, T., Zhu, S., Li, J., Wang, J., Jin, H., Wang, X., Lv, J. J.,* Wang, Z. J.,* Wang, S.*(2023): Electrocatalytic CO2 Reduction to Ethylene: from Advanced Catalyst Design to Industrial Applications. Adv. Mater., 35, 2310433.
3. Wang, Z. J., Chen, X., Wu, L., Wong, J. J., Liang, Y., Zhao, Y., Houk, K. N.,* Shi, Z.* (2021): Metal-Free Directed C-H Borylation of Pyrroles. Angew. Chem. Int. Ed., 60, 8500-8504.
4. Chang, G. L., Chen, X., Lv, J.-J., Kong, Z.,* Wang, Z. J.*(2025): Cobalt-Based Electrocatalysts for Sustainable Nitrate Conversion: Structural Designand Mechanistic Advancements. Nano-Micro Lett., doi:10.1007/s40820-025-01877-z.
5. 冯吕楠, 应依彤, 柴雅婷, 史丹, 王正军.*电化学分析测定常见食品非法添加剂研究进展. 化学试剂, 2024, 07, 46 ,29-37.
6.王佑庭,曹媛媛,魏荣耀,范茹,吕晶晶,吴芬,王正军.阴离子交换膜用于电催化CO2还原的研究进展[J].化学试剂,2025,47(12):21-27.
