随着全球对可持续能源和低碳技术的追求，将温室气体CO₂电还原为（CO₂RR）有价值的化学品成为研究热点。传统的碱性膜电极组件（MEA）中具有促进多碳（C₂₊）产物法拉第效率（FE）、使用廉价金属作为阳极催化剂以及高电导率等优势。然而在碱性条件下，基于阴离子交换膜的MEA中（AEM-MEA）的CO₂还原会形成碳酸（氢）根离子进而导致严重的盐沉积和CO₂跨膜迁移（CO₂ crossover）。基于双极膜（BPM）的MEA（BPM-MEA）在碱性条件下可以防止碳酸（氢）盐的形成，BPM内的水解离（WD）催化剂产生H⁺能与碳酸（氢）盐再生成CO₂。然而BPM提供的高质子通量导致催化剂表面的析氢反应占据主导地位。

基于此，苏州大学王昱沆教授团队开发出一种三层聚合物电解质（TPE）策略，显著提高了碱性电解槽中CO₂到C₂₊产品的高效碳转化效率。该结构由多孔的阴离子交换膜（PAEM）和BPM组成。PAEM作为质子阻隔层，在催化剂Cu周围创造了有利于将CO₂转化为乙烯（C₂H₄）的高局部碱度环境。同时，在PAEM与BPM的界面上，Cu表面形成的碳酸（氢）根离子与BPM提供的H⁺发生反应，实现CO₂原位再生。

与传统AEM-MEA相比，TPE-MEA在CO₂还原过程中展现出更高的原位CO₂再生通量和更为稳定的阳极液pH值，表明TPE结构有效促进CO2的再生并且抑制CO₂跨膜迁移。在140 mA cm^-2下，CO₂损失（包括CO₂跨膜迁移和盐沉积）在TPE-MEA中的在所有测量的流量下保持在7%以下。

在TPE-MEA中，作者进一步探究了催化剂载量和KOH的浓度对于CO₂RR的影响。作者发现1.5 mg cm^-2 Cu₂O和1 M KOH有利于CO₂还原为C₂₊产物。适当地增加催化剂载量能够增大反应活性位点促进反应发生，过高的催化剂载量则会增加催化剂层厚度，并超过CO₂的传递距离，导致活性位点附近CO₂不足，析氢反应活性上升。另外，适当的K⁺会促进CO₂到C₂₊产物的生成，过高的K⁺浓度则导致碳酸盐沉积阻碍反应发生。

使用优化后的催化剂载量和KOH浓度，作者在TPE-MEA中分别获得了46%的C₂H₄法拉第效率和64%的C₂₊产物法拉第效率。140 mA cm^-2电流密度下，CO₂到C₂H₄单程转化率（SPC）达到了32%，超过了AEM-MEA的理论极限（即25%），并相比于AEM-MEA提高了5倍。同时，CO₂的总SPC也达到了83%。TPE-MEA能够在140 mA cm⁻²维持着接近47 h的稳定运行。进一步与甲醛反应耦合后，TPE-MEA在100 mA cm^-2的电流密度下实现了2.3 V的低电解槽压，相比相同电解槽结构的CO2RR/OER节省32%的能耗。

综上所述，本研究通过开发TPE膜电极组件来克服碱性电解槽中CO₂RR面临的碳酸（氢）盐问题，不仅展示了膜工程在推动CO₂转化技术发展的巨大潜力，还为未来实现高效、可持续的电化学CO₂利用提供了新途径。