电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）可以将CO₂转化为高附加值的化学品和燃料，是一项前景广阔但目前仍面临诸多挑战的技术。为了提高CO或碳氢化合物的法拉第效率，通常利用溶剂化的碱金属阳离子来调控反应微环境。其中，不同阳离子对CO₂RR催化活性的促进效果按以下顺序递增：Na⁺ < K⁺ < Cs⁺。

膜电极组件（MEA）因具有低欧姆电阻和易于扩展到电堆的优势被认为是最有前途的反应器，但是如何在无阴极电解液的MEA电解槽中利用碱金属阳离子效应促进CO₂RR面临巨大的挑战。

有鉴于此，天津大学叶金花团队刘乐全课题组设计开发了一种锚定碱金属阳离子（Cs⁺）的策略用于MEA电解槽，显著提升了Ag纳米颗粒在大电流密度下的CO选择性，实现了约500 mA cm^-2的CO分电流密度，比纯Ag高出约三倍。通过器件耦合实现了8.3%的太阳能到CO的能量转化效率。

该研究从CO₂RR和竞争性析氢反应（HER）两个角度分析了锚定Cs⁺提升CO₂选择性的机制。原位拉曼光谱表征及结合机器学习力场的理论计算结果表明，锚定的Cs⁺能显著促进CO₂^⁻中间体的吸附；另一方面，多位点自由能计算和盘电极实验表明，锚定Cs⁺形成的电场能有效减弱*OH中间体的吸附，从而抑制了HER。

首先通过硝酸对商业碳黑进行刻蚀，成功制备了丰富碳空位的碳材料（DC），随后Cs⁺被锚定在这些碳空位上从而得到Cs-DC样品。

除球差电镜清晰地识别出均匀分布且孤立的Cs外，X射线吸收精细结构谱进一步表明Cs与C之间形成新键，且Cs的平均配位数为4.2±0.9。

相比纯Ag，锚定Cs⁺的引入使CO分电流密度提升了3倍，达到了约500 mA cm^-2，并且在不同的阳极电解液（KHCO₃、[Me]₄NHCO₃和纯水）测试中均表现出相似的提升效果。

经过80小时的恒流性能测试，CO选择性仍保持在90%以上。

原位拉曼分析显示，锚定的Cs⁺显著增强了CO₂^-中间体在Ag表面的覆盖度。同时，引入锚定Cs⁺后，Stark调谐斜率增加了51%，这表明锚定的Cs⁺自身诱导了指向阳极的电场。结合机器学习的理论计算进一步表明，该电场显著降低了CO2^-中间体的平均吸附自由能。

引入锚定Cs⁺后，平台电流减少了18%，表明H⁺的扩散被有效抑制。多位点的理论计算进一步显示，锚定Cs⁺产生的电场显著降低了*OH中间体的平均吸附自由能，从而抑制了H⁺的扩散，进而抑制了竞争的HER，最终促进了CO₂还原反应。

最后，作者将MEA电解槽与商业多晶硅太阳能电池结合，实现了8.3%的太阳能到CO的能量转化效率。

综上所述，该研究提出锚定碱金属离子（Cs⁺）策略具有简易、高效的特点，为在MEA电解槽中利用碱金属阳离子效应提供了一种具有非常有潜力的解决方案，相关技术已申请专利。