截至2023年6月，大气中的CO₂含量已经上升到424 ppm，CO₂的转化与利用迫在眉睫[1]。近年来，电催化CO₂还原的研究已经取得了长足进步，通过电催化方式可以将CO₂转化为CO、HCOOH、CH₄、C₂H₅OH等[2~6]。然而，目前电催化CO₂还原研究仍然无法满足工业化生产的需求，诸多问题有待解决[7]：
1.产物选择性仍然较低，特别是高附加值化学品。较低的选择性将增加产物的分离和纯化难度;
2.目标产物的局部电流密度很低，目标产物所需过电位很高。过低的电流密度和较高的过电位直接影响电催化CO₂还原反应能量转化效率;
3.电催化CO₂还原反应的反应机理有待进一步研究;
4.反应装置仍无法满足工业需求，如电极的耐久性、离子交换膜的性能、催化剂的稳定性等等。
目前实验室中使用的电催化CO₂还原的反应池主要包括H型电解槽（H-Cell）、流动型电解槽（Flow Cell）和膜电极电解槽（Membrane Electrode Assembly，MEA）[8]。
图a. H型电解槽示意图[8].
H型电解槽由阴极室、阳极室和离子交换膜组成。CO₂连续通入到阴极室中，发生还原反应，CO₂携带气体产物进入气相色谱仪检测，阳极室主要发生析氧反应。H型电解槽一般选用0.5 M KHCO₃作为电解液。H型电解槽装置较为简单，成本较低。然而由于CO₂在电解液中有限的溶解度和扩散系数，导致反应传质效率低，反应速率慢。H型电解槽中进行的电催化CO₂还原电流密度一般低于100 mA/cm2 [9]。此外，中性电解液无法有效抑制HER反应的发生。
图b. 流动型电解槽示意图[8].
流动型电解槽主要由多孔疏水气体扩散层、阴极室、阳极室和离子交换膜组成。CO₂连续穿过多孔疏水气体扩散层与催化剂和电解液在气-液-固三相界面发生反应，有效解决了H型电解槽传质效率低的问题[10]。同时，流动型电解槽缩短了阴极室和阳极室间的距离，有效降低了电解液的阻抗和整个反应系统的欧姆降[11]。流动型电解槽一般选用1 M KOH作为电解液，可有效抑制HER反应的竞争。流动型电解槽中进行的电催化CO₂还原反应电流密度一般大于500 mA/cm2 [11]。尽管流动型电解槽可以达到较高的电流密度，但其稳定性仍然存在问题。由于气体扩散层的稳定性问题，流动型电解槽存在电解液溢流的隐患。除此之外，CO₂与碱性电解液直接接触容易形成碳酸盐或碳酸氢盐，堵塞气体扩散层的气体传输通道，影响反应速率[9，11]。
图c. 膜电极电解槽示意图[8].
膜电极电解槽主要由多孔疏水气体扩散层、阴极室、阳极室和离子交换膜组成。膜电极电解槽保留了流动型电解槽传质效率高的优良特点，因此可以达到较高的电流密度。但不同的是，膜电极电解槽的阴极室中没有电解液穿过，一定湿度的CO₂气体穿过多孔疏水气体扩散层直接与催化剂发生气-固相反应，可以有效避免流动型电解槽中存在电解液溢流、气体扩散层堵塞等问题。阳极室中有电解液通过，发生析氧反应，阳极室一般选用一定浓度的KOH作为电解液。由于阴极室中无电解液，参比电极和工作电极之间无法形成电势回路，膜电极电解槽通常为两电极体系，而非三电极体系。这一点不同于H型电解槽和流动型电解槽，双室较短的间距可以显著降低系统阻抗，提高电催化CO₂还原反应速率和能量转化效率[9，10]。然而，膜电极电解槽与实际工业化生产需求仍然存在差距。由于阴极室中没有电解液的循环，还原反应产生的液体产物极易堵塞多孔疏水气体扩散层，影响整个反应的传质。除此之外，离子交换膜的寿命有限，不满足长期生产要求[9]。
除了不断开发新型高效、高稳定性的催化剂之外，新型反应器的设计与研发对于电催化CO₂还原反应研究同样具有重要意义。
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