二氧化碳等溫室氣體過量排放，會導致溫室效應加劇，進而產生一系列負面影響。含鉛、鋅等重金屬元素的電池廢棄后，如不妥善處理，也會對生態環境產生毒害作用。
日前，華中科技大學教授夏寶玉團隊、中國科學技術大學教授姚濤團隊，以及新西蘭奧克蘭大學教授王子運團隊聯合研究發現，將廢舊電池和溫室氣體結合起來，能產生“負負得正”的效果。聯合團隊使用回收的廢電池，將二氧化碳“加工”成具有較高經濟價值的化工原料甲酸，實現變廢為寶。相關研究成果近日發表于《自然》。
“我們創建了質子交換膜二氧化碳電解系統，讓甲酸的生成率超過93%，并能連續穩定運行5000小時以上，在多項指標上打破世界紀錄。”
論文通訊作者華中科技大學教授夏寶玉表示。
另辟蹊徑，變廢為寶 本文`內-容-來-自；中_國_碳_交^易=網 tan pa i fa ng . c om
“通過二氧化碳電解反應，將其轉化為高附加值燃料和化學品，是一條
綠色之路。”夏寶玉說。
資料顯示，二氧化碳電解是在催化劑的作用下，將二氧化碳轉化為相關化學制品的技術。在諸多電解產物中，甲酸是一種重要的液體化學原料，在化工、能源、農業等領域有廣泛應用。高效穩定地獲得高純度甲酸，不僅消耗了二氧化碳、改善環境污染問題，還能緩解能源危機，創造可觀的經濟效益。
高效、穩定、高純度，正是研究團隊面臨的挑戰。此前，雖然已有二氧化碳電解等方面的研究，但電解環境中各原材料相互“打架”、電解系統壽命短等仍是未解難題。
一次，在校園散步時，夏寶玉偶然看到一輛破舊的電動車。他當即想到，市面上常見的電動車大多選用鋰電池或鉛酸電池供電，而鉛酸電池正是他在此前的研究中關注過的。
“什么物質能在酸性條件下高效穩定還原二氧化碳？鉛就是其中之一，但少有人研究。”夏寶玉介紹，“近些年，相關研究中使用的電解液大多呈堿性，這導致很多二氧化碳被堿性電解液吸收，在電極表面生成大量碳酸鹽沉淀，大幅降低了系統的轉化效率和壽命。”
針對這些難題，團隊創新性地使用酸性電解液、開發關鍵催化材料、設計膜電極系統，研發出新型質子交換膜二氧化碳轉化系統，顯著提升了系統穩定性和二氧化碳轉化效率。
接力挑戰高難度課題 本*文@內-容-來-自；中_國_碳^排-放*交-易^網 t an pa i fa ng . c om
相關研究團隊在這個研究方向深耕了近5年。
“我2019年加入夏老師團隊，接觸到這個研究方向。”論文第一作者、華中科技大學博士生房文生回憶，“這是我研究生階段遇到的第一個課題。”
摸索一段時間后，房文生雖然有了一些知識儲備，但還遠遠不夠。“很多人覺得這個方向太難了，要做很多實驗、測大量的數據，我也有點兒想打退堂鼓。”他說。
出于這樣的考慮，他將這個課題暫時擱置。一年后，在夏寶玉的鼓勵下，房文生積累了更多“實戰”經驗后，又將該課題“撿起來”繼續推進。
實驗過程中，團隊發現，在酸性較強的溶液中進行二氧化碳電解，催化劑通常會發生嚴重的析氫現象，同時也會加劇材料的腐蝕，難以高效穩定地進行還原反應，嚴重影響系統的穩定性。
“困難總是有的，需要一個個解決。”房文生說。
經過不斷嘗試，結合鉛酸電池帶來的“啟發”，聯合團隊制備出鉛基耐酸腐蝕的二氧化碳還原電催化劑。這種催化劑可以顯著抑制酸性電解系統中的析氫現象，并將二氧化碳單一選擇性地轉化成甲酸，轉化效率超過93%。不僅如此，這種性能優越的催化劑，還能實現公斤級甚至噸級的量產，以滿足工業化需求。
雖然實現了二氧化碳的高效轉化，但團隊并不滿足。“這只成功了一半，我們還要讓它長時間保持高效。”夏寶玉說，“穩定的系統是保持高效狀態的重點。”
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在解決系統穩定性問題的道路上，研究團隊發現，系統中的關鍵部件質子交換膜常常會被破壞。
電池一般由電極、電解質、隔膜等部分組成。其中，隔膜用于陰陽兩極間的離子交換。深入研究后團隊發現，由于電解質中含有水，在反應過程中，水經過氧化產生的副產物——雙氧水會腐蝕質子交換膜，進而影響整個電解體系的性能與壽命。
“原本平整光滑的一張膜，只運行了幾百個小時就被腐蝕得千瘡百孔，設備也不能正常運行了。”夏寶玉說，“我們想了很多辦法解決膜被破壞的問題。”
憑借在能源化學領域深耕多年的研究經驗，夏寶玉產生了“以氫氣替換水”的想法，讓副產物不再產生。這不僅有效避免了質子交換膜被腐蝕，大幅提高穩定性和使用壽命，還極大減少了系統的耗電量，產生了意想不到的效果。
有了這一突破，后續的測試便可以穩定進行。不過，由于測試儀器的限制，實驗還不能“自主”開展，到了測試時長的上限，需要刷新重置才能繼續。這就需要有人一直在旁邊盯守。
終于，在聯合團隊成員的共同努力與協同攻關下，穩定性難題迎刃而解，團隊實現了系統低能耗高效率電解反應，該反應能連續運行5000小時以上，較業內水平遙遙領先。
“通過這項技術，從二氧化碳到燃料、從燃料到二氧化碳、從二氧化碳再到燃料，我們構建了一個人工的碳循環。”夏寶玉說，“我們所做的研究有助于解決廢舊電池處理這個老大難問題，有助于國家‘雙碳’戰略目標的實現。”
來源：中國科學報
審核：余早早
責編：霍悅
編輯：胡娜?
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