电化学还原CO₂可以将温室效应气体CO₂转化为高附加值化学品和燃料，同时将可再生能源储存于方便运输的化学品中，有效解决间歇性电能不易储存的问题。然而，由于CO₂在水体系中的溶解度低，扩散缓慢等问题，导致电化学CO₂还原过程中电流密度低。基于气体扩散电极的膜电极电解池有效的提高了CO₂的扩散速率和转化效率，得到了更高的电流密度和生产率，有望推动电催化CO₂转化迈向工业应用。在膜电极电解池中，阴离子交换膜与碱性阳极液的使用为电化学CO₂还原提供了良好的化学环境，但是此过程通常伴随着严重的盐沉积和CO₂损耗现象，使得大量的CO₂形成碳酸盐、碳酸氢盐等。

双极膜是一种把阴离子交换膜和阳离子交换膜贴合起来的离子交换膜。在一定的电压下，膜内的水会分解为H⁺和OH^-。研究表明，将双极膜应用于膜电极电解池可以有效的抑制盐沉积和CO₂损耗。然而，双极膜水解离产生的H⁺移动到阴极形成酸性环境，不利于CO₂的电化学还原过程。近日，香港城市大学的叶汝全教授团队，通过设计一种全新的带正电荷聚合物分子催化剂，将带有正电荷的高分子骨架接枝到分子催化剂上，抑制了H⁺的传输，促进了CO₂的转化，提高了产物的选择性。

在双极膜电极电解池中，该团队制备的聚合物分子催化剂在电化学还原CO₂的过程中，在100mA cm^-2的电流密度下能够得到82.6%的CO法拉第效率，远超传统的银催化剂。并且，与阴离子交换膜电极电解池相比，双极膜电解池没有产生盐沉积，使得电解池更加稳定。

同时，在阴离子交换膜电极电解池中，CO₂的利用效率小于40%。而聚合物分子催化剂在双极膜电极电解池实现了高于80%的CO₂的利用效率。这表明，在双极膜系统中，聚合物分子催化剂不仅能实现较高的CO法拉第效率，也能得到高CO₂的利用效率。

在该工作中，叶汝全团队开发了一种具有阳离子基团的聚合物分子催化剂，并在双极膜电极电解池中实现了高效的CO₂电还原。由于带正电的主链对H⁺的排斥，抑制了阴极析氢反应，并促进了CO₂电化学还原。同时，分子催化剂在聚合物侧链上的分布使得催化剂活性位点分布均匀，提高了电化学性能。此外，与阴离子交换膜电极电解池相比，采用聚合物分子催化剂的双极膜电解池在CO₂电解、CO₂回收和阳极液再生方面的总能耗更低，在减少二氧化碳交叉方面更具有优势。这项工作为双极膜电极电解池中催化剂的设计，提供了一种新的策略。