CO₂ 制燃料技术实现 ACID 升级
莱斯大学的一组研究人员发现了一种非常简单的方法，可以大大提高将二氧化碳转化为有用燃料和化学品的电化学装置的稳定性，它只涉及将二氧化碳送入酸性起泡器。 他们的研究发表在《科学》杂志上，解决了 CO2 还原系统性能和稳定性的一个主要瓶颈：盐的积累会堵塞气流通道，降低效率并导致设备过早失效。 研究人员使用一种他们称为酸性加湿 CO2 的技术，将 CO2 还原系统的使用寿命延长了 50 倍以上，展示了在按比例放大的反应器中稳定运行超过 4,500 小时——这是该领域的一个里程碑。 电化学 CO2 还原 （CO2RR） 是一种新兴的绿色技术，它使用电力（最好来自可再生能源）将气候变暖的 CO2 转化为有价值的产品，如一氧化碳、乙烯或醇类。 这些产品可以进一步提炼成燃料或用于工业过程，有可能将主要污染物转化为原料。 然而，实际实施受到系统稳定性差的阻碍。 一个持续存在的问题是碳酸氢钾盐在气流通道中的积累，当钾离子从阳极物穿过阴离子交换膜迁移到阴极反应区并在高 pH 条件下与 CO2 结合时，就会发生这种情况。 “盐沉淀会阻止 CO2 传输并淹没气体扩散电极，从而导致性能失败，”该研究的通讯作者、莱斯大学化学和生物分子工程、材料科学和纳米工程以及化学副教授 Haotian Wang 说。 “这通常发生在几百小时内，这与商业可行性相去甚远。” 为了解决这个问题，赖斯团队尝试了对标准程序的优雅改造。 而不是他们用水加湿输入到反应器中的 CO2 气体，通过盐酸、甲酸或乙酸等酸溶液使气体鼓泡。 酸中的蒸气以微量带入阴极反应室，刚好足以改变局部化学性质。 因为用这些酸形成的盐比碳酸氢钾更易溶解，所以它们不会结晶和阻塞通道。 效果是巨大的。 在使用银催化剂的测试中 -- 一种常见的将 CO2 转化为一氧化碳的基准 -- 该系统在实验室规模的设备中稳定运行了 2,000 多个小时，在 100 平方厘米的按比例缩小的电解槽中稳定运行了 4,500 多个小时。 相比之下，使用标准水加湿 CO2 的系统在大约 80 小时后由于盐分积聚而出现故障。 重要的是，酸湿化方法被证明对多种催化剂类型有效，包括氧化锌、氧化铜和氧化铋，所有这些催化剂都用于靶向不同的CO2RR 产品。 研究人员还证明，该方法可以在不影响性能的情况下进行扩展，使用大型设备保持能源效率并避免长时间盐堵塞。 他们观察到，通过保持较低的酸浓度，通常对氯化物敏感的阴离子交换膜的腐蚀或损坏最小。 该方法还被证明与常用的膜和材料兼容，增强了其集成到现有系统中。 为了实时观察盐的形成，该团队使用了带有透明流板的定制反应器。 在传统的水加湿下，盐晶体在 48 小时内开始形成。 然而，使用酸湿 CO2 时，即使在数百小时后也没有观察到明显的晶体积累，任何小的沉积物最终都会溶解并带出系统。 “使用传统的水加湿 CO2 方法可能会导致阴极气体流动通道中的盐形成，“共同第一作者、莱斯大学化学和生物分子工程博士后研究助理 Shaoyun Hao 说。 “我们假设并证实了酸性蒸气可以溶解盐并将低溶解度的 KHCO3 转化为溶解度较高的盐，从而改变溶解度平衡，恰好可以避免堵塞，而不会影响催化剂性能。” 这项工作为更耐用、可扩展的 CO2 电解槽打开了大门，一种如果该技术要作为碳捕获和利用战略的一部分在工业规模上部署，则非常需要。 该方法简单，仅涉及对现有加湿设置进行小幅调整，这意味着无需大量重新设计或增加成本即可采用。 “这是 CO2 电解的一个重大发现，”莱斯大学化学和生物分子工程专业的共同第一作者、研究生 Ahmad Elgazzar 说。 “我们的方法解决了一个长期存在的障碍采用低成本、易于实施的解决方案。 这是使碳利用技术更具商业可行性和可持续性的一步。 这项工作得到了 Robert A. 韦尔奇基金会、赖斯、美国国家科学基金会以及大卫和露西尔帕卡德基金会。