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《中国科学报》:“电”一下,二氧化碳“变”燃料

发布日期:2020年04月23日   浏览次数:

4月23日《中国科学报》就我室研究突破刊发题为《“电”一下,二氧化碳“变”燃料》的深度通讯。报道从电催化转化显优势、实现二氧化碳利用“双高”、应用尚任重道远三个方面,展示了此研究成果的重要意义。


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    化石燃料的消耗,既导致大气中二氧化碳含量不断增加,带来全球温室效应,又使化石资源日益枯竭,造成能源短缺。若让二氧化碳“变身”成高值化学品和燃料,那将会“一举两得”。

    厦门大学化学化工学院教授王野团队与程俊团队合作,发展出氢助碳碳偶联的新方法,并设计合成出氟修饰的铜催化剂,可实现高效电催化还原二氧化碳制乙烯和乙醇,为推进电催化还原二氧化碳走向工业应用奠定了重要科学基础。相关研究成果4月20日在线发表于《自然—催化》。


电催化转化显优势

    二氧化碳资源化利用已成为当前研究的热点话题,其中电催化转化二氧化碳是备受关注的一条技术途径。

  “利用太阳能等可再生资源产生的电能,将二氧化碳催化转化为高值化学品和燃料,对建立可持续的碳循环和缓解能源危机具有重要意义,这也是‘液态阳光’的重要目标之一。”王野告诉《中国科学报》。

    与其他二氧化碳催化转化方式相比,电催化有诸多优势。

    王野介绍,在二氧化碳转化时需要有加氢过程,但传统的热催化二氧化碳加氢过程一般需要高温、高压的反应条件,且需要消耗昂贵的氢气。同时,反应中间体易经不可控的聚合机理实现碳碳偶联,这使得C2+产物分布难以集中,特定目标产物选择性低,并伴有大量一氧化碳和甲烷生成。

    而电催化还原二氧化碳可以直接以水作为氢源,利用可再生的电能,实现温和条件下的二氧化碳和水的共还原生成C2+产物。相对热催化,电催化经过不同的碳碳偶联机理实现二氧化碳的还原偶联,可对碳碳偶联过程进行更好的调控。

    目前,电催化还原二氧化碳制C2+化合物尽管已经取得一些进展,可以较高选择性地获得特定C2+产物,不过,这一高选择性通常仅能在较低活性下实现,使得工业生产中十分关注的C2+收率难以提高。如何同时实现“高活性和高选择性”是一大难题。


实现二氧化碳利用

    研究人员通过研发两大“神器”来作“助攻”——二氧化碳电催化还原新方法和新催化剂。

    论文作者之一谢顺吉向《中国科学报》介绍,他们针对电催化还原二氧化碳中催化剂常常活性低的问题,明确了适当提高催化剂活化水的能力对增加二氧化碳还原活性的重要性。按照这一思路,他们发展出氢助碳碳偶联的新方法,并设计合成出氟修饰的铜(F-Cu)催化剂,两者结合,实现了电催化还原二氧化碳制乙烯和乙醇性能的突破。

    研究结果显示,该催化剂在具有气体扩散电极的流动电解池中,在C2+产物(主要为乙烯和乙醇)法拉第效率80%的条件下,可以实现1.6 A cm-2的高电流密度,突破了目前的极限,且催化剂在40小时的稳定性测试过程中保持稳定。此外,乙烯和乙醇选择性和单程收率分别达80.2%和15.4%。

    值得一提的是,与传统高温、高压下的二氧化碳催化加氢性能相比,该方法在相当的转化率下可以获得更高的产物选择性和单程收率。此外,结合DFT和原位红外研究,研究人员还揭示了新的碳碳偶联机理,打破了传统的*CO二聚生成C2+产物的认识。

  “该研究不仅为二氧化碳高效电催化还原催化剂的设计提供了新策略,同时‘氢助碳碳偶联’新机理的发现也为调控C2+产物选择性提供了新方法。”王野说。


应用尚任重道远

    该催化剂体系在一定程度上实现了“三高”,即高电流密度、高C2+选择性、高稳定性,整体性能已经显示出实际应用潜力。

    但在研究人员看来,该研究使用的气体扩散电极在碱性条件下表现出易水淹和失去疏水性的问题,未来还需要进一步提高碱性气体扩散电极的稳定性。此外,该研究主要关注阴极二氧化碳还原反应,阳极水氧化的效率较低,还须耦合更高效的阳极催化剂,提高全电池的能量利用效率。

  “要走向工业化,还需要解决催化剂的长时间稳定性问题,此外,电催化过程的工程化问题、二氧化碳的捕获成本、电费成本等经济性也需要考虑。工业化道路依然任重道远。”王野说。


相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41929-020-0450-0


见习记者 韩扬眉 《中国科学报》 (2020-04-23 第4版 综合)