用廢舊電池和溫室氣體能產(chǎn)生負(fù)負(fù)得正的效果嗎？華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)做到了。他們利用回收的廢舊電池將二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的甲酸，并打破多項(xiàng)世界紀(jì)錄。1月31日，團(tuán)隊(duì)研究成果“質(zhì)子交換膜系統(tǒng)中持久的CO2轉(zhuǎn)化”在《自然》刊發(fā)。
在電解二氧化碳獲得的二十余種產(chǎn)物中，甲酸具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在燃料電池、醫(yī)藥領(lǐng)域等都有廣泛用途。高效獲得高純甲酸，不僅能夠消耗二氧化碳，還能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。夏寶玉團(tuán)隊(duì)朝著這個研究方向，歷時近五年，創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng)，讓甲酸的生成率超過93%，并能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5000小時以上，在多項(xiàng)指標(biāo)上打破世界紀(jì)錄。
二氧化碳電解系統(tǒng)及其電化學(xué)性能
團(tuán)隊(duì)的研究數(shù)據(jù)為何能“遙遙領(lǐng)先”？與眾多研究不同的是，團(tuán)隊(duì)采用酸性電解液完成了這一系統(tǒng)。當(dāng)前電催化二氧化碳還原技術(shù)中，研究者使用的電解液大多呈堿性，相當(dāng)一部分二氧化碳會被堿性電解液吸收并生成大量碳酸鹽在電極表面沉積，大幅降低轉(zhuǎn)化效率和壽命。“采用酸性電解液就能夠極大提升轉(zhuǎn)化效率。”這是團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出的一項(xiàng)解決方案。“然而，許多催化劑不耐酸腐蝕，難以高效穩(wěn)定地進(jìn)行還原反應(yīng)。”研究過程中，團(tuán)隊(duì)主要成員房文生不斷嘗試，巧妙地利用回收來的廢舊電池獲得了一種鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。全新的反應(yīng)機(jī)理讓二氧化碳在電解過程中只產(chǎn)生甲酸和少量氫氣的同時，還實(shí)現(xiàn)了極高的轉(zhuǎn)化效率。不僅如此，這種性能優(yōu)越的催化劑還能夠?qū)崿F(xiàn)公斤級甚至噸級的量產(chǎn)，以滿足工業(yè)化的需求。
實(shí)際運(yùn)行過程中團(tuán)隊(duì)又遇到了新的問題——電解系統(tǒng)的壽命遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用需求。通過深入研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)借助水來完成氧化反應(yīng)會生成陽極副產(chǎn)物，腐蝕系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——質(zhì)子交換膜，進(jìn)而影響整個電解體系的性能與壽命。在能源化學(xué)領(lǐng)域多年的研究經(jīng)驗(yàn)讓夏寶玉產(chǎn)生了“以氫氣替換水”的想法。這不僅有效避免了質(zhì)子交換膜的腐蝕，大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命，還極大地減少了系統(tǒng)的耗電量，團(tuán)隊(duì)收獲了意想不到的效果。解決種種困難后，團(tuán)隊(duì)對反應(yīng)器件構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了在3.6V槽壓下20A電流的低能耗高效益電解反應(yīng)，并能夠連續(xù)運(yùn)行5000小時以上。
“這一技術(shù)具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”夏寶玉說。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的二氧化碳電解反應(yīng)器能在高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)面積與產(chǎn)量的40倍放大。按照當(dāng)前市場成本估計(jì)，每電解產(chǎn)生1噸甲酸將獲得244美元盈利，并有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
在電解二氧化碳獲得的二十余種產(chǎn)物中，甲酸具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在燃料電池、醫(yī)藥領(lǐng)域等都有廣泛用途。高效獲得高純甲酸，不僅能夠消耗二氧化碳，還能創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。夏寶玉團(tuán)隊(duì)朝著這個研究方向，歷時近五年，創(chuàng)建了質(zhì)子交換膜二氧化碳電解系統(tǒng)，讓甲酸的生成率超過93%，并能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行5000小時以上，在多項(xiàng)指標(biāo)上打破世界紀(jì)錄。
二氧化碳電解系統(tǒng)及其電化學(xué)性能
團(tuán)隊(duì)的研究數(shù)據(jù)為何能“遙遙領(lǐng)先”？與眾多研究不同的是，團(tuán)隊(duì)采用酸性電解液完成了這一系統(tǒng)。當(dāng)前電催化二氧化碳還原技術(shù)中，研究者使用的電解液大多呈堿性，相當(dāng)一部分二氧化碳會被堿性電解液吸收并生成大量碳酸鹽在電極表面沉積，大幅降低轉(zhuǎn)化效率和壽命。“采用酸性電解液就能夠極大提升轉(zhuǎn)化效率。”這是團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出的一項(xiàng)解決方案。“然而，許多催化劑不耐酸腐蝕，難以高效穩(wěn)定地進(jìn)行還原反應(yīng)。”研究過程中，團(tuán)隊(duì)主要成員房文生不斷嘗試，巧妙地利用回收來的廢舊電池獲得了一種鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。全新的反應(yīng)機(jī)理讓二氧化碳在電解過程中只產(chǎn)生甲酸和少量氫氣的同時，還實(shí)現(xiàn)了極高的轉(zhuǎn)化效率。不僅如此，這種性能優(yōu)越的催化劑還能夠?qū)崿F(xiàn)公斤級甚至噸級的量產(chǎn)，以滿足工業(yè)化的需求。
實(shí)際運(yùn)行過程中團(tuán)隊(duì)又遇到了新的問題——電解系統(tǒng)的壽命遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用需求。通過深入研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)借助水來完成氧化反應(yīng)會生成陽極副產(chǎn)物，腐蝕系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——質(zhì)子交換膜，進(jìn)而影響整個電解體系的性能與壽命。在能源化學(xué)領(lǐng)域多年的研究經(jīng)驗(yàn)讓夏寶玉產(chǎn)生了“以氫氣替換水”的想法。這不僅有效避免了質(zhì)子交換膜的腐蝕，大幅提高穩(wěn)定性和使用壽命，還極大地減少了系統(tǒng)的耗電量，團(tuán)隊(duì)收獲了意想不到的效果。解決種種困難后，團(tuán)隊(duì)對反應(yīng)器件構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了在3.6V槽壓下20A電流的低能耗高效益電解反應(yīng)，并能夠連續(xù)運(yùn)行5000小時以上。
“這一技術(shù)具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。”夏寶玉說。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的二氧化碳電解反應(yīng)器能在高效穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)面積與產(chǎn)量的40倍放大。按照當(dāng)前市場成本估計(jì)，每電解產(chǎn)生1噸甲酸將獲得244美元盈利，并有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。
