近日，我國科研人員在酸性膜電極電催化二氧化碳還原領(lǐng)域取得新進展。科研團隊提出采用多孔膜替代離子交換膜，在酸性條件下實現(xiàn)了高選擇性、長穩(wěn)定性的電催化二氧化碳轉(zhuǎn)化，為二氧化碳資源化利用提供了新的解決方案。
該研究成果由南開大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院羅景山教授課題組取得，并于近日發(fā)表于《自然·通訊》上。
二氧化碳是當(dāng)前主要的溫室氣體。如何能將二氧化碳“變廢為寶”，是實現(xiàn)碳達峰、碳中和的關(guān)鍵。長期以來，零間隙膜電極二氧化碳電解槽因能量效率高和集成度高而被視為二氧化碳轉(zhuǎn)化利用的重要方向。然而，零間隙膜電極電解槽運行過程中通常面臨析鹽、滲水及析氫副反應(yīng)等問題，穩(wěn)定性與碳利用率難以兼顧。
就像日常生活中燒水壺結(jié)水垢一樣，電解槽中出現(xiàn)的‘水垢’容易堵塞管道、損壞設(shè)備，導(dǎo)致反應(yīng)很快中斷，非常不穩(wěn)定。針對這一挑戰(zhàn)，團隊提出更換核心“過濾部件”，采用多孔膜替代傳統(tǒng)離子交換膜，構(gòu)建酸性體系下的零間隙膜電極電解槽，選用合適孔徑與適當(dāng)親水性的多孔膜實現(xiàn)物質(zhì)傳輸平衡，從根本上改善反應(yīng)環(huán)境。這一設(shè)計有效抑制了析鹽與析氫副反應(yīng)，使系統(tǒng)在高電流密度下仍能保持優(yōu)異性能。
實驗結(jié)果顯示，在酸性電解液條件下，多孔膜電解槽在400 mA cm-2電流密度下的一氧化碳法拉第效率高達85%，顯著優(yōu)于離子交換膜系統(tǒng)。
同時，研究團隊實現(xiàn)了連續(xù)運行200小時的長期穩(wěn)定性測試，二氧化碳還原產(chǎn)物中一氧化碳比例接近100%，氫氣副產(chǎn)物極少，且未出現(xiàn)析鹽現(xiàn)象。在100cm2大面積電解槽測試中，裝置依然能穩(wěn)定運行超過120小時，二氧化碳還原產(chǎn)物中一氧化碳比例保持在約90%，充分驗證了該技術(shù)的可擴展性與工業(yè)應(yīng)用潛力。
這項成果為酸性膜電極二氧化碳還原電解槽提供了新的膜使用及設(shè)計策略，為未來實現(xiàn)高附加值碳基燃料與化學(xué)品的電合成奠定了基礎(chǔ)。
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