為了應對全球氣候變化和環境問題，越來越多的國家將“碳中和”上升為國家戰略。負碳技術通過捕集、貯存和利用二氧化碳以此抵消難減排的碳排放而成為了實現碳中和的重要途徑，其中近年來快速發展、極具應用前景的二氧化碳電解技術受到廣泛關注。

 

近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）包信和院士、研究員汪國雄、研究員高敦峰團隊在二氧化碳/一氧化碳電解制備燃料和化學品研究中取得新進展。團隊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覆蓋度驅動的選擇性變化機制，并組裝出千瓦級電堆，其電解性能是目前文獻報道最高值。該成果可以實現鋼廠尾氣或者化工尾氣的高值化利用，為二氧化碳/一氧化碳電解技術從實驗室到實際應用提供了技術基礎。相關成果發表在國際頂級學術期刊《自然—納米技術》上。

 

通過利用可再生能源產生的電能，二氧化碳電解反應可以將二氧化碳轉化為高附加值燃料和化學品。乙烯、乙酸和乙醇等多碳產物具有較高的能量密度和市場需求，是理想的電解產物。然而，在工業級電流密度下高選擇性生成多碳產物仍然存在很大挑戰。

 

本工作中，團隊基于鋼鐵工業排放出大量的二氧化碳/一氧化碳混合尾氣這一現狀，通過改變進料氣組成來調變堿性膜電解器陰極氧化銅催化劑的微環境，實現了在工業級電流密度下高效二氧化碳/一氧化碳電解制備多碳產物。隨著進料氣中一氧化碳壓力的增加，電解主產物逐漸由乙烯轉變為乙酸，且電流密度顯著增加。

 

為進一步驗證電解過程的可行性，團隊組裝了4節100 cm2的堿性膜電堆，其電解功率最高達到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。

 

“團隊在電化學器件上進行了創新，研制了高性能堿性膜電解器件來電解二氧化碳/一氧化碳。”汪國雄介紹，“同時，我們通過改變反應氣中一氧化碳分壓來調控電極催化劑微環境，揭示了反應覆蓋度驅動的選擇性轉變機制。”

 

該項研究不僅為單一多碳產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實際應用提供了技術基礎。

 

提及下一步研究方向，汪國雄說：“我們將進一步開展放大研究，研制大規模的堿性膜電堆和系統，提高在實際工況下的穩定性，實現在工業領域的示范運行。”