将二氧化碳转化为有用的燃料和化学品，在工业规模上需要克服一个根本性的化学挑战：CO₂分子极其稳定，断开其碳氧键需要能量。高温电解（在固体氧化物电池中于800°C进行反应）长期以来一直被视为一条通往效率的理论路径，但加速反应的催化剂往往会在这种极端条件下失效。
中国科学院大连化学物理研究所（DICP）的一个团队现已证明了一种保持催化剂稳定的方法：将单个铱原子锚定在钙钛矿阴极上，使其即使在800°C下也能保持原子级分散。这项成果于7月18日发表在《自然·通讯》上，实现了每平方厘米3.02安培的电流密度，这是CO₂电解领域迄今报道的最高水平之一，且在超过600小时内无衰减地持续运行。
工作原理
该装置是一种固体氧化物电解池（SOEC），它使用一种在高温下传导氧离子的陶瓷电解质。在阴极侧，CO₂被分解为CO和O²⁻离子；离子通过电解质迁移到阳极，在阳极重新结合为氧气。总反应式为CO₂ → CO + ½O₂。
阴极材料是一种钙钛矿（镧锶铁氧化物（La₀.₆Sr₀.₄FeO₃₋δ，简称LSF））并修饰有单个铱原子。关键的突破在于一种在电池制造和运行过程中形成的原位强金属-载体相互作用（SMSI）。这种相互作用同时发挥两个作用：它将铱原子锁定在原位，防止了通常在高温下杀死单原子催化剂的原子迁移和聚集；同时它改变了钙钛矿表面的电子结构，促进了氧空位的形成，而氧空位正是CO₂分子结合和反应的活性位点。
数据
与未修饰的LSF相比，铱修饰阴极将电流密度提高了80.8%，在1.5伏、800°C条件下从1.67 A/cm²提升至3.02 A/cm²。法拉第效率（用于目标CO产物而非副反应的电子比例）接近100%。电池在超过600小时内无任何可测量的性能衰减。
作为对比，最先进的SOEC阴极在类似条件下通常只能达到1.0~2.5 A/cm²。3.02 A/cm²的结果加上卓越的稳定性，使该催化剂处于高温CO₂电解性能的前沿。
高温为何重要
在室温附近运行的低温CO₂电解，通常只能达到100~500 mA/cm²，并且受到竞争性析氢反应和CO₂溶解度限制的困扰。在800°C下，几个关键因素发生了变化：反应动力学呈指数级加速，所需的热力学电压降低（意味着部分能量可以来自廉价热能而非昂贵的电力），陶瓷电解质的离子电导率大幅提升。结果是形成了一个能够以更高速率处理CO₂且对CO具有近乎完美选择性的系统。
产物（高纯度一氧化碳）是一种宝贵的工业原料，可与绿氢结合生产合成喷气燃料、甲醇或其他碳氢化合物，如果电力来自可再生能源，这将为碳中性燃料开辟一条路径。
注意事项
铱是一种贵金属，每克约150~200美元。即使在单原子负载水平下，规模化应用的经济性取决于将铱含量控制在极低水平。600小时的稳定性测试是在单个实验室电池上进行的，而非完整电堆，而实际的工业设备需要10,000~40,000小时的可靠运行。800°C的工作温度还对密封件、连接件和热管理提出了昂贵的材料要求。
该论文已作为早期访问手稿被《自然·通讯》接收并发表（DOI: 10.1038/s41467-026-75580-x），作者为S. Zhang、S. Wang、Y. Song、G. Wang、X. Bao等。
来源
1. S. Zhang, S. Wang, H. Liu et al., “Stable high-valent iridium single atoms for high-temperature CO₂ electrolysis,” 《自然·通讯》(2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75580-x
婷 翻译