二氧化碳電解技術助力實現(xiàn)碳中和

為了應對全球氣候變化和環(huán)境問題，越來越多的國家將“碳中和”上升為國家戰(zhàn)略。負碳技術通過捕集、貯存和利用二氧化碳以此抵消難減排的碳排放而成為了實現(xiàn)碳中和的重要途徑，其中近年來快速發(fā)展、極具應用前景的二氧化碳電解技術受到廣泛關注。

 

近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）包信和院士、研究員汪國雄、研究員高敦峰團隊在二氧化碳/一氧化碳電解制備燃料和化學品研究中取得新進展。團隊揭示了堿性膜電解器中二氧化碳/一氧化碳電催化還原反應覆蓋度驅動的選擇性變化機制，并組裝出千瓦級電堆，其電解性能是目前文獻報道最高值。該成果可以實現(xiàn)鋼廠尾氣或者化工尾氣的高值化利用，為二氧化碳/一氧化碳電解技術從實驗室到實際應用提供了技術基礎。相關成果發(fā)表在國際頂級學術期刊《自然—納米技術》上。

 

通過利用可再生能源產(chǎn)生的電能，二氧化碳電解反應可以將二氧化碳轉化為高附加值燃料和化學品。乙烯、乙酸和乙醇等多碳產(chǎn)物具有較高的能量密度和市場需求，是理想的電解產(chǎn)物。然而，在工業(yè)級電流密度下高選擇性生成多碳產(chǎn)物仍然存在很大挑戰(zhàn)。

 

本工作中，團隊基于鋼鐵工業(yè)排放出大量的二氧化碳/一氧化碳混合尾氣這一現(xiàn)狀，通過改變進料氣組成來調變堿性膜電解器陰極氧化銅催化劑的微環(huán)境，實現(xiàn)了在工業(yè)級電流密度下高效二氧化碳/一氧化碳電解制備多碳產(chǎn)物。隨著進料氣中一氧化碳壓力的增加，電解主產(chǎn)物逐漸由乙烯轉變?yōu)橐宜幔译娏髅芏蕊@著增加。

 

為進一步驗證電解過程的可行性，團隊組裝了4節(jié)100 cm2的堿性膜電堆，其電解功率最高達到2.85 kW，在總電流為150 A時，乙烯的生成速率為457.5 mL min?1；在總電流為250 A時，乙酸的生成速率為2.97 g min?1。

 

“團隊在電化學器件上進行了創(chuàng)新，研制了高性能堿性膜電解器件來電解二氧化碳/一氧化碳。”汪國雄介紹，“同時，我們通過改變反應氣中一氧化碳分壓來調控電極催化劑微環(huán)境，揭示了反應覆蓋度驅動的選擇性轉變機制。”

 

該項研究不僅為單一多碳產(chǎn)物的定向生成提供了重要參考，而且為二氧化碳/一氧化碳電解從實驗室走向實際應用提供了技術基礎。

 

提及下一步研究方向，汪國雄說：“我們將進一步開展放大研究，研制大規(guī)模的堿性膜電堆和系統(tǒng)，提高在實際工況下的穩(wěn)定性，實現(xiàn)在工業(yè)領域的示范運行。”