全球绿色低碳转型已是大势所趋。二氧化碳、一氧化碳和甲烷等碳基小分子的高效转化是碳基能源优化利用、实现人工碳循环的关键环节。由于涉及碳-氧键/碳-氢键活化、碳-碳偶联等过程多为强吸热反应，只有利用可再生能源，才能真正实现碳中和。
在许多转化方式中，电化学途径可直接利用太阳能、风能等可再生能源产生的电能，定向推动氧化/还原过程，具有较高的能量利用率和碳基小分子转化效率。目前碳基小分子电化学转化方式可分为高温和低温两种途径。其中，高温途径以固体氧化物或熔盐为电解质，高温条件下有利于碳基小分子活化，但产物种类通常受限。低温途径采用溶液电解质或碱性聚合物电解质，低温条件下催化剂和电解质关键材料选择面广，可以获得种类更为丰富的高值产物，但碳基小分子的活化较难。
在重大研究计划的支持下，研究人员围绕碳基小分子高温和低温电解转化展开研究。高温途径采用固体氧化物电解池（SOEC），通过氧化还原循环等策略构建高效稳定的金属/氧化物界面，有效提升二氧化碳还原制备一氧化碳性能。在低温途径方面，研究人员主要采用溶液电解质或聚合物电解质，获得了乙烯、乙醇、乙酸等丰富产物，探究了溶液电解质中碱金属阳离子促进二氧化碳还原作用机制，发现了电极/聚合物电解质界面可以有效催化二氧化碳还原，打破了电催化二氧化碳还原必须有碱金属阳离子存在的传统认知。
相关研究还提出了“表面化学场耦合电催化”科学想法，并以此为基础设计出兼具离子传导和协同二氧化碳活化双功能离聚物，开发了首例工业级电流密度的二氧化碳-纯水膜电解器制备一氧化碳或乙烯技术，并通过利用自主知识产权的碱性膜电解器，实现了高效的二氧化碳/一氧化碳共电解制备多碳产物。研究还发展了阳极添加氢氧化钾电解液的碱性膜一氧化碳电解器及电堆技术，实现安培级电流密度下一氧化碳高效还原制备双原子碳离子产物。
上述研究为二氧化碳资源化利用提供了科学基础支撑和新的技术方案。
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