曲久辉院士团队在电催化膜的构-效关系研究方面取得新进展

生态环境研究中心曲久辉院士团队基于实验研究与多物理场有限元模拟，在电催化膜的构-效关系方面取得新进展，相关成果以“Confinement-enhanced valorization of contaminants in electrified hydrogenation membranes for water purification”为题发表在国际知名期刊《Nature Communications》上。

电催化还原加氢为污染物资源化提供了一种环境友好的方法，但其在实际应用中常受到传质和电子传递的限制。电催化膜作为一种有效的策略被开发出来，通过空间限域效应增强反应物传质和电子利用效率，然而其结构与性能之间的关系尚不明确。

图1. 电催化膜孔道内的反应机制示意图

团队开发了具有原子级分散Ru催化位点的电化学膜，实现了对硝酸盐、三氯乙酸和苯酚的高效还原加氢。研究发现，电催化活性与膜孔径之间存在“火山型”关系，孔径为7 μm的电化学膜在55秒内可实现94%的硝酸盐去除率，对铵的选择性超过97%，动力学常数为孔径80 μm膜的2.5倍。然而，进一步减小孔径至4 μm反而导致性能下降。多物理场模拟表明，小孔径虽增强了传质，但也加剧了孔道内电流分布的不均匀性。

图2. （a）硝酸盐还原模拟与实验的准一级动力学常数对比；（b）限域效应对传质与电子传递的影响机制示意图

本研究揭示了空间限域效应对电化学反应中传质与电子传递耦合机制的关键作用，为设计高效、低成本的电化学膜电极提供了理论依据和设计原则，推动了可持续水处理技术的发展。

研究得到了国家自然科学基金、中国科学院国际合作及北京市科技新星等项目资助。论文第一作者是中心博士生康宇阳，通讯作者为古振澳副研究员，研究得到了曲久辉院士、胡承志研究员的悉心指导。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-64482-z

环境水质学重点实验室

2025年11月20日