新研發的高效能電催化二氧化碳還原系統 旨在減碳排放 促進邁向碳中和


背景：全球暖化給人類社會和生態系統持續帶來威脅，而主導氣候變暖的溫室氣體中，佔最主要比重的正是二氧化碳。為應對氣候變化的問題和邁向促進碳中和的目標，香港理工大學（理大）的研究團隊成功研發一套耐久、高選擇性、高效的二氧化碳電還原系統，可以將二氧化碳轉化成具有重要戰略意義的基礎化工原料乙烯，作其他工業用途，以為減低二氧化碳排放提供有效的解決方案。此研究成果已於國際科學期刊《Nature Energy》發表，並於第 48 屆瑞士日內瓦「國際發明展」獲得金獎。

乙烯 （C2H4）是石油化工行業最重要的基礎原料，主要應用於製造聚合物等高分子材料，這些高分子材料可以製造日常使用的塑膠、化纖等。生產乙烯目前仍然主要依賴石化資源，製造過程碳排放高。

通過阻斷碳酸鹽的形成來實現電催化二氧化碳還原製備乙烯之耐久系統

簡介：在應對氣候變化的工作上，尋找減低二氧化碳排放的有效方法十分重要。使用可再生能源進行電催化二氧化碳還原(ECO2R)已成為一項極具前景的解決方案 [1, 2]。但是，在這個 ECO2R 過程中，鹼性條件和鹼性陽離子的存在引起了一些難度，以致阻礙這種技術的發展 [3, 4]。我們正探索採用一種突破性的純水膜電極組 (MEA) 系統，來克服上述障礙，為得出更為穩定、效率更高的 ECO2R 過程而創造條件。

對於應對氣候變化，有效地減少二氧化碳排放極為重要。雖然採用可再生能源來實現 ECO2R 過程大有可為，但當中涉及的鹼性條件和鹼性陽離子帶來了一些難題。我們的純水膜電極組系統能夠克服這些困難，為得出穩定、高效的 ECO2R 過程創造條件。

純水膜電極組系統： 這個純水膜電極組系統包含一個陰離子交換膜 (AEM) 和一個質子交換膜 (PEM) 組合體（APMA, 圖 1）。這個創新的系統能夠維持一個鹼性陰極環境，配合高效的 ECO2R 過程之需要。在順向偏壓的作用下，在陰極和陽極處發生水解離現象，進而參與 ECO2R 和析氧反應 (OER)。其餘的 OH-和 H+ 離子分別通過 AEM 和 PEM 傳輸，在它們的界面處形成了水。



圖 1：(a) 配合 ECO2R 過程的純水 APMA-MEA 系統之架構示意圖。(b) 在純水 APMA-MEA 電池中，ECO2R 在 SS-Cu 上的性能表現，以及沒有 iR 補償的相應電池電壓。

結果： 我們使用一種高性能的表面富台階銅 (SS-Cu) 來檢視純水 APMA-MEA 系統中 ECO2R 產物的分佈情況（圖 1b）。得出的結果十分明顯，法拉第效率 (FE) 的峰值約為 66%，包括對於 C2H4（乙烯）的法拉第效率高達 43%。電池電壓大約是 4.3 V，ECO2R 的全電池能量效率最高達到 18.2%。

避免碳酸鹽的形成： ECO2R 當中面對的一個重大挑戰是碳酸鹽的形成和鹽沉澱的問題。但是，這種純水 APMA-MEA 系統架構可以大幅度地降低發生這些反應的機會。在靜電場的影響下，由於缺乏陽離子，因此能夠有效地抑制碳酸鹽或重碳酸鹽的形成，同時又避免鹽沉澱的情況。

實驗證據：相關的原位拉曼測量結果直接顯示在純水 APMA系統當中，SS-Cu 表面上之碳酸鹽形成受到有效抑制（圖 2a）。此外，使用 H218O 作為陽極電解液的同位素標記實驗還確證，二氧化碳不會與電生成的 18OH- 產生反應而形成碳酸鹽（圖 2b）。這些發現結果提出有力之證據，顯示純水 APMA-MEA 系統配置能夠成功地阻斷碳酸鹽的形成和陰離子交互滲透。



圖 2：(a) 在進行 ECO2R 大約 20 分鐘之後，在 0.1 M 氫氧化鉀、純水和裸電極作用下，SS-Cu 上的 ECO2R 的原位拉曼光譜。(b) 在 APMA 系統中使用 H218O 作為陽極電解液的 ECO2R 質譜。(c) 在採用包含六個 APMA-MEA 電池的純水 APMA-MEA 電池組裝（恆定電流 10A），於 SS-Cu 上對 C2H4 實施 ECO2R 過程時所得出之系統穩定性表現。

耐久性和實用性：為了評估純水 APMA-MEA 架構之耐久性和實用性，我們設計了包含六個 MEA 電池的電池組裝（圖 2c），得出的結果令人鼓舞，在 10A 的總電流下，C2H4 的法拉第效率約達 50%（圖 2d）。系統維持穩定超過 1,000 小時，顯示其長期可行性和具備工業規模實施的潛力。

結論：純水 MEA 系統代表著二氧化碳減排領域上的一項重大突破。這項創新技術透過有效地抑制碳酸鹽的形成和鹽的沉澱，提供一個更加穩定、更具效率的 ECO2R 系統。這個系統具有縮小化石燃料和可持續能源之間差距的潛能，有助我們建立更加環保、更能持續的未來。

参考資料：


  1. De Luna, P. et al. What would it take for renewably powered electrosynthesis to displace petrochemical processes? Science 364, eaav3506 (2019).
  2. Wakerley, D. et al. Gas diffusion electrodes, reactor designs and key metrics of low-temperature CO2 electrolysers. Nat. Energy 7, 130-143 (2022).
  3. Rabinowitz, J. A. & Kanan, M. W. The future of low-temperature carbon dioxide electrolysis depends on solving one basic problem. Nat. Commun. 11, 5231 (2020).
  4. She, X. J., Wang, Y. F., Xu, H., Tsang, S. C. E. & Lau, S. P. Challenges and opportunities of electrocatalytic CO2 reduction to chemicals and fuels. Angew. Chem. Int. Ed. 134, e202211396 (2022).

作者：
香港理工大學納米材料講座教授兼應用物理學系系主任劉樹平教授

2024年3月