萊斯大學汪淏田教授Nature Catalysis前瞻:基于CO2還原制備高濃度和純度的液體燃料策略

【引言】

大氣中二氧化碳（CO₂）的濃度不斷增加，引起了人民對全球氣候變化的嚴重關切。《巴黎協定》的目標是大幅減少全球溫室氣體排放，并將本世紀全球氣溫升幅限制在工業化前水平。得益于可再生電網技術的快速發展，現在可以有效地從太陽能或風能中獲取綠色電力，并不斷降低其成本以達到極具競爭力的水平。可再生電力的這種持續成本下降顯著提高了電化學催化還原CO₂?成化學原料的市場競爭力和可承受能力。與傳統的化學合成方法相比，使用電化學CO₂?RR生產化學品和燃料具有多項優勢，包括溫和的反應條件、高能量轉換效率、生產實時性以及易于適應性和大規模擴展性。根據所使用的電催化劑，可以獲得從 C₁（例如，一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）、甲烷 （CH₄）和甲醇（CH₃OH））到各種C₂化學品和燃料甚至到C₃的高附加產物。與氣相產品相比，由CO₂?RR生產的液體燃料因其高能量密度、易于運輸和儲存以及與氣相自發分離等優點引起了特別的興趣。然而，目前通過CO₂?RR生產液體燃料的經濟可行性和大規模應用的實質性仍然存在著各種挑戰。其中，生成的液體燃料的純度和濃度問題是亟待解決的突出挑戰。

近日，美國萊斯大學汪淏田教授（通訊作者）強調了通過CO₂電還原生產高純度和高濃度液體燃料的重要性和挑戰性，這也是CO₂?RR領域中經常被忽視的問題。同時，使用先前報道的技術經濟分析模型，指出了下游分離純化和濃縮相關的額外成本將極大地降低液體產品的經濟可行性，表明了直接從CO₂電解槽獲得高純度和高濃度液體燃料的必要性。此外，通過簡要回顧催化反應器設計在解決這一雜質和低濃度挑戰方面的最新進展，提出了不同的策略作為未來潛在的研究方向，以進一步提高產品的選擇性、活性、純度和濃度，并幫助推動CO₂?RR生產高純度和高濃度液體燃料的發展，使其更接近于未來的大規模應用。相關研究成果以“High-purity and high-concentration liquid fuels through CO₂?electroreduction”為題發表在Nature Catalysis上。

【圖文導讀】

圖一、CO₂?RR技術和下游液體產品分離概述

（a）通過電化學CO₂還原進行可持續化學品生產的示意圖；

（b）傳統的CO₂電解槽使用液體電解質進行離子傳導和液體產物收集，因此需要下游分離過程來回收純液體燃料；

（c）高純度、高濃度液體燃料的脫鹽和蒸餾等下游分離過程示意圖。

圖二、用于液體燃料和技術經濟考慮的CO₂?RR催化劑

（a）CO₂?RR途徑和通往甲酸，甲醇以及C₂₊產物的關鍵反應中間體；

（b）水溶液中C₁和C₂₊產物的最先進的CO₂還原性能；

（c）液體燃料活性、選擇性、相對純度、能量密度和成本的雷達圖總結；

（d）不考慮產品凈化過程，將CO₂還原為液體燃料的成本；

（e）下游的脫鹽和蒸餾過程為實現適合市場供應鏈的高純度和高濃度液體燃料增加了額外的成本。

圖三、固體電解質反應器

圖四、用于高純度和高濃度液體燃料的CO₂電解槽設計

（a）固體電解質電池中惰性氣體流動以產生高濃縮產品的液體燃料蒸汽的示意圖；

（b）用于生產濃縮液體燃料的AEM組裝電池的示意圖；

（c）在酸性環境下，需要高催化CO₂性能的CEM組裝電池的示意圖。

【小結】

綜上所述，將CO₂還原為液態燃料的技術經濟分析傳達了一個重要信息，即在CO₂?RR領域經常被忽視的傳統電解槽中的電解質混合物和低濃度問題可能是商業化過程中的最大障礙之一。一個有前途但具有挑戰性的方向是設計新型催化反應器，例如固體電解質反應器，它可以直接生產高純度和高濃度的液體燃料，而無需下游的產品分離過程。雖然目前的大部分研究都集中在開發高性能 CO₂?RR催化劑上，但在過去十年取得了令人振奮的進展，需要更多的努力來研究其他組分電解槽設計，包括GDL、膜、固體電解質、界面等，最終實現商業級液體燃料產品的目標。將CO₂還原為純液體燃料的反應器工程的未來進展也將極大地有益于電合成的其他領域，例如將氧氣還原為過氧化氫和將氮氣還原為氨，以實現純液體產品的直接生成，將這些電化學應用推向新的發展水平。

文獻鏈接：“High-purity and high-concentration liquid fuels through CO₂?electroreduction”(Nature Catalysis，2021，10.1038/s41929-021-00694-y)

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1.團隊介紹：

汪淏田 助理教授 萊斯大學 William Marsh Rice Trustee Chair Assistant Professor。

2011 年本科中國科學技術大學物理系畢業，2016 年于斯坦福大學獲應用物理博士學位，隨后于哈佛大學羅蘭研究所擔任羅蘭學者并建立課題組（2016-2018）、2019年起就職萊斯大學。組建課題5年多以來，已在包括Science, Nature Energy，Nature Catalysis, Nature Chemistry等高影響期刊上發表重要工作。課題組研究聚焦在能源、環境等領域，利用基礎納米科技去解決催化、電池、清潔能源轉化與存儲、水處理、綠色合成等科學技術前沿問題。

2.團隊在該領域的工作匯總：https://wang.rice.edu/publications/

3.文獻推薦：

電催化還原CO₂：

1. P. Zhu and H. Wang*, High-purity and high-concentration liquid fuels through CO2 electroreduction, Nature Catalysis 4, 943 (2021).
2. C.Xia*, Y. Qiu, Y. Xia, P. Zhu, G. King, X. Zhang, Z. Wu, J. Kim, D.A. Cullen, D. Zheng, P. Li, M. Shakouri, E. Heredia, P. Cui, H.N. Alshareef, Y. Hu*, and H. Wang*, General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots, Nature Chemistry, DOI: 10.1038/s41557-021-00734-x (2021).
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電催化還原H₂O₂和OER：

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水處理（電催化還原NO₃^-）：Z. Wu, M. Karamad, X. Yong, Q. Huang, D. Cullen, P. Zhu, C. Xia, Q. Xiao, M. Shakouri, F. Chen, J. Kim, Y. Xia, K. Heck, Y. Hu, M. Wong, Q. Li, I. Gates, S. Siahrostami*, and H. Wang*, Electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction on Fe single atom catalyst, Nature Communications 12, 2870 (2021).