數十億美元正被用於研究捕獲大氣中二氧化碳（CO₂）的方法，這些二氧化碳是導致氣候變化的因素之一。然後，二氧化碳可以被封存，或者被轉化為能減少化石燃料使用的工業材料。目前存在將二氧化碳轉化為燃料或化工原料的工藝，但就目前而言，它們的效率還不足以在價格上與不可再生能源競爭。一種電化學工藝使用帶有催化劑的氣體擴散電極（GDEs）將二氧化碳氣體轉化為乙烯，乙烯可用作燃料或塑膠和其他材料的化學前體。

氣體擴散電極（GDE）設計中的基本權衡在於，必須在電極材料的導電性和疏水性之間做出選擇。導電性更強的材料將更高效地傳輸電流，從而轉化更多的二氧化碳，但如果電極吸收水分，產量將會降低，而且電極腐蝕的風險會進一步降低其效能。例如，碳紙具有導電性，但容易被用於將二氧化碳輸送到電極的電解液浸透。聚四氟乙烯（PTFE）的疏水性很強，但導電性很低。（聚四氟乙烯以其品牌名“特氟龍”更為人所知，Teflon。）

麻省理工學院（MIT）的研究人員已經探究了氣體擴散電極（GDEs）為何無法有效擴大規模。他們重點研究了一種基於多孔的膨體聚四氟乙烯（ePTFE）的電極結構。然後，這種材料會被塗上一薄層銅，以作為該過程的催化劑。

先前的研究表明，這樣一種結構在通常面積為1到5平方釐米的實驗性氣體擴散電極中是高效的。然而，隨著電極尺寸增大，導電性會迅速下降，這反過來由於電阻增加導致能量損失而降低了產出效率。

為了提高較大氣體擴散電極（GDEs）的導電性，研究人員想出了一種讓銅絲“穿過”電極的方法。他們將這種新方法命名為分層導電氣體擴散電極（簡稱HCGDE，https://www.nature.com/articles/s41467-024-53523-8）。

在這種設計中，研究人員讓直徑為75微米的銅絲穿過電極，使銅催化劑層與之匹配，從而消除不同金屬之間發生電解的風險。銅絲沿著催化劑層延伸，然後穿透膨體聚四氟乙烯（ePTFE）膜，連線到電極背面的集電器。根據研究人員的論文，這種設計可以批次生產，既可以採用卷對卷製造工藝，也可以使用標準縫紉裝置。卷對卷生產能夠大幅降低製造成本，因為這是一種常用於多種材料印刷的工藝。

該團隊使用一個模擬模型來確定銅絲在催化劑層上的最佳間距。他們確定，當銅絲間距小於10毫米時能達到最佳效果，這樣既能保持足夠的導電性，又能將電阻損耗降至最低。

然後，研究人員根據他們的分層導電氣體擴散電極（HCGDE）設計製作了三個不同尺寸的電極：5平方釐米、14平方釐米和足足50平方釐米（是其他實驗電極的10倍大），同時也製作了不含編織銅絲的電極。在採用4毫米的銅絲間距時，導電性提高了，但犧牲的電極材料不到2%。

測試結果表明，最大的電極在利用二氧化碳生產乙烯方面效果顯著，達到了約75%的法拉第效率（FE），同時所需電壓低於傳統的氣體擴散電極（GDE）設計。法拉第效率是指在給定能量（電流）的情況下能夠生產多少產品的理論極限；該數值越高意味著生產效率越高。此外，這三種尺寸電極的電效率相近。為了測試這項技術的穩定性，研究人員隨後讓50平方釐米的電極單元運行了75小時。結果顯示雖然鹽沉澱隨著時間推移確實會降低效能，但整體結果較為穩定。

麻省理工學院（MIT）機械工程教授Kripa Varanasi表示，這些結果表明，即使將電極尺寸擴大到原來的10倍，該技術仍然有效。他們還預計，即使電極尺寸更大，效能也將得以保持。

Varanasi說：“有許多高能耗的工藝在脫碳方面具有挑戰性，因此開發有效的二氧化碳捕獲和轉化方法至關重要。應對二氧化碳挑戰是我們這個時代的關鍵問題之一。為了解決這一問題，我們每年必須處理數十億噸二氧化碳，這就需要可擴充套件且具有成本效益的解決方案。透過採用這種思路，我們能夠確定關鍵的瓶頸問題，並設計出能產生有意義成果的創新方法。”

科技分析公司IDTechEx的技術分析師Eve Pope表示：“對許多排放企業來說，捕獲和儲存二氧化碳的成本仍然高得令人望而卻步。能夠利用二氧化碳（取代現有的石油基產品）的技術突破，可以開闢額外的收入來源，從經濟上激勵二氧化碳的捕獲。”Pope稱，IDTechEx對這類“源自二氧化碳的直接替代化學品”的預測顯示，在2040年之前其收入可能超過10億美元。

如果分層導電氣體擴散電極（HCDGE）技術確實能夠擴大到工業水平，它可以為化石燃料提供一種具有成本競爭力的替代方案，既可以作為一種燃料來重新利用大氣中已有的二氧化碳，也可以作為耐用品中使用的材料的前身，從而長期封存碳。