新研发的高效能电催化二氧化碳还原系统 旨在减碳排放 促进迈向碳中和


背景：全球暖化给人类社会和生态系统持续带来威胁，而主导气候变暖的温室气体中，占最主要比重的正是二氧化碳。为应对气候变化的问题和迈向促进碳中和的目标，香港理工大学（理大）的研究团队成功研发一套耐久、高选择性、高效的二氧化碳电还原系统，可以将二氧化碳转化成具有重要战略意义的基础化工原料乙烯，作其他工业用途，以为减低二氧化碳排放提供有效的解决方案。此研究成果已于国际科学期刊《Nature Energy》发表，并于第 48 届瑞士日内瓦「国际发明展」获得金奖。

乙烯 （C2H4）是石油化工行业最重要的基础原料，主要应用于制造聚合物等高分子材料，这些高分子材料可以制造日常使用的塑胶、化纤等。生产乙烯目前仍然主要依赖石化资源，制造过程碳排放高。

通过阻断碳酸盐的形成来实现电催化二氧化碳还原制备乙烯之耐久系统

简介：在应对气候变化的工作上，寻找减低二氧化碳排放的有效方法十分重要。使用可再生能源进行电催化二氧化碳还原(ECO2R)已成为一项极具前景的解决方案 [1, 2]。但是，在这个 ECO2R 过程中，碱性条件和碱性阳离子的存在引起了一些难度，以致阻碍这种技术的发展 [3, 4]。我们正探索采用一种突破性的纯水膜电极组 (MEA) 系统，来克服上述障碍，为得出更为稳定、效率更高的 ECO2R 过程而创造条件。

对于应对气候变化，有效地减少二氧化碳排放极为重要。虽然采用可再生能源来实现 ECO2R 过程大有可为，但当中涉及的碱性条件和碱性阳离子带来了一些难题。我们的纯水膜电极组系统能够克服这些困难，为得出稳定、高效的 ECO2R 过程创造条件。

纯水膜电极组系统： 这个纯水膜电极组系统包含一个阴离子交换膜 (AEM) 和一个质子交换膜 (PEM) 组合体（APMA, 图 1）。这个创新的系统能够维持一个碱性阴极环境，配合高效的 ECO2R 过程之需要。在顺向偏压的作用下，在阴极和阳极处发生水解离现象，进而参与 ECO2R 和析氧反应 (OER)。其余的 OH-和 H+ 离子分别通过 AEM 和 PEM 传输，在它们的界面处形成了水。



图 1：(a) 配合 ECO2R 过程的纯水 APMA-MEA 系统之架构示意图。(b) 在纯水 APMA-MEA 电池中，ECO2R 在 SS-Cu 上的性能表现，以及没有 iR 补偿的相应电池电压。

结果： 我们使用一种高性能的表面富台阶铜 (SS-Cu) 来检视纯水 APMA-MEA 系统中 ECO2R 产物的分布情况（图 1b）。得出的结果十分明显，法拉第效率 (FE) 的峰值约为 66%，包括对于 C2H4（乙烯）的法拉第效率高达 43%。电池电压大约是 4.3 V，ECO2R 的全电池能量效率最高达到 18.2%。

避免碳酸盐的形成： ECO2R 当中面对的一个重大挑战是碳酸盐的形成和盐沉淀的问题。但是，这种纯水 APMA-MEA 系统架构可以大幅度地降低发生这些反应的机会。在静电场的影响下，由于缺乏阳离子，因此能够有效地抑制碳酸盐或重碳酸盐的形成，同时又避免盐沉淀的情况。

实验证据：相关的原位拉曼测量结果直接显示在纯水 APMA系统当中，SS-Cu 表面上之碳酸盐形成受到有效抑制（图 2a）。此外，使用 H218O 作为阳极电解液的同位素标记实验还确证，二氧化碳不会与电生成的 18OH- 产生反应而形成碳酸盐（图 2b）。这些发现结果提出有力之证据，显示纯水 APMA-MEA 系统配置能够成功地阻断碳酸盐的形成和阴离子交互渗透。



图 2：(a) 在进行 ECO2R 大约 20 分钟之后，在 0.1 M 氢氧化钾、纯水和裸电极作用下，SS-Cu 上的 ECO2R 的原位拉曼光谱。(b) 在 APMA 系统中使用 H218O 作为阳极电解液的 ECO2R 质谱。(c) 在采用包含六个 APMA-MEA 电池的纯水 APMA-MEA 电池组装（恒定电流 10A），于 SS-Cu 上对 C2H4 实施 ECO2R 过程时所得出之系统稳定性表现。

耐久性和实用性：为了评估纯水 APMA-MEA 架构之耐久性和实用性，我们设计了包含六个 MEA 电池的电池组装（图 2c），得出的结果令人鼓舞，在 10A 的总电流下，C2H4 的法拉第效率约达 50%（图 2d）。系统维持稳定超过 1,000 小时，显示其长期可行性和具备工业规模实施的潜力。

结论：纯水 MEA 系统代表著二氧化碳减排领域上的一项重大突破。这项创新技术透过有效地抑制碳酸盐的形成和盐的沉淀，提供一个更加稳定、更具效率的 ECO2R 系统。这个系统具有缩小化石燃料和可持续能源之间差距的潜能，有助我们建立更加环保、更能持续的未来。

参考资料：


  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：
香港理工大学纳米材料讲座教授兼应用物理学系系主任刘树平教授

2024年3月