近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所納米與界面催化研究組中科院院士包信和、研究員汪國雄、研究員高敦峰團(tuán)隊在二氧化碳/一氧化碳電解制備燃料和化學(xué)品研究中取得新進(jìn)展，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(yīng)覆蓋度驅(qū)動的選擇性變化機(jī)制，并組裝出千瓦級電堆，為二氧化碳/一氧化碳電解的實際應(yīng)用提供了參考。
二氧化碳電解反應(yīng)利用可再生能源產(chǎn)生的電能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品，是近年來快速發(fā)展、極具應(yīng)用前景的負(fù)碳技術(shù)。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)。
大連化物所揭示高效二氧化碳/一氧化碳電解反應(yīng)的選擇性變化機(jī)制
本工作中，團(tuán)隊基于鋼鐵工業(yè)排放出大量的二氧化碳/一氧化碳混合廢氣這一現(xiàn)狀，通過改變進(jìn)料氣組成來調(diào)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(jìn)料氣中一氧化碳壓力的增加，電解主產(chǎn)物逐漸由乙烯轉(zhuǎn)變?yōu)橐宜?，且電流密度顯著增加。在0.6 MPa CO條件下，乙酸法拉第效率為48%，總電流密度達(dá)到3 A cm-2。機(jī)理研究表明，產(chǎn)物選擇性變化受到*CO覆蓋度和局部pH值影響，低*CO覆蓋度時優(yōu)先生成乙烯，高*CO覆蓋度和高局部pH值有利于乙酸的形成。在優(yōu)化的電解條件下，多碳產(chǎn)物的法拉第效率和分電流密度分別達(dá)到90.0%和3.1 A cm-2，對應(yīng)于100.0%碳選擇性和75.0%收率，優(yōu)于熱催化CO加氫反應(yīng)。為進(jìn)一步驗證電解過程的可行性，團(tuán)隊組裝了4節(jié)100 cm2的堿性膜電堆，其電解功率最高達(dá)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。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?qū)嶋H應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果以“Coverage-driven selectivity switch from ethylene to acetate in high-rate CO2/CO electrolysis”為題，于近日發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。該工作的共同第一作者是大連化物所博士研究生魏鵬飛、高敦峰研究員和博士后劉天夫。上述工作獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院A類先導(dǎo)專項“變革性潔凈能源關(guān)鍵技術(shù)與示范”等項目的支持。
