Advanced Science報道機械能回收和CO2還原新策略

一、 【導讀】

低頻機械能可來源于風能、水能和海洋波浪能，是一種儲量豐富、清潔和可再生的能源。然而，機械能是不規則、斷續、波動的，其儲存的難度很大，這限制了機械能的轉化和利用。一種比較理想的儲存機械能的方法是將其轉變成化學能。在常溫常壓下，機械能很難引起的惰性CO₂分子的分解，因此，目前直接利用機械能轉化CO₂的反應鮮有報道。

近年來，采用摩擦納米發電機（TENG）將低頻機械能轉變成電能的方法比較流行。TENG能夠輸出上千伏的高電壓，可在常溫常壓下能引起氣體電離，產生摩擦電等離子體，促進CO₂還原反應，具有較高的機械能向化學能轉化效率。

二、【成果掠影】

近日，河南大學博士生李素敏和張寶博士為共同第一作者，程綱教授和杜祖亮教授為共同通訊作者的文章提供了一種機械能驅動的CO₂還原系統，通過機械能驅動多脈沖摩擦電等離子體實現機械能向化學能的轉化。在0.8 mm的最佳電離距離時，CO和O₂產物的生成速率分別為12.4 μmol/h 和6.7 μmol/h。CO選擇性為92.4%，電能向化學能的轉換效率η_ele-chem為31.9%，高于其他非能量轉換和非熱等離子CO₂還原系統。機械能向化學能轉換效率達到迄今為止最高的2.3%。等離子體模擬和光譜分析表明摩擦電等離子體中電子的平均能量很低，CO₂還原主要通過低勢壘振動激發分解。采用風能作為機械能來源，獲得的最大CO產物生成量為16.8 μmol/h。

相關研究成果以“Triboelectric Plasma CO₂ Reduction Reaching a Mechanical Energy Conversion Efficiency of 2.3%”為題發表在Advanced Science上。

三、【數據概覽】

圖1 機械能驅動雙功能、多脈沖、流動摩擦電等離子體的CO₂還原系統：a) 實驗裝置示意圖；b) 摩擦電等離子體電流、電壓與時間的關系；c) 摩擦電等離子體的高速成像照片；d) ¹³CO₂示蹤的¹³CO產物質譜圖；e) C¹⁸O₂示蹤的¹⁸O₂產物質譜圖。反應條件：電離距離0.8 mm；TENG旋轉速率180 rpm；CO₂流速10.0 mL/min；常溫常壓。

圖2 TENG旋轉速率對CO₂分解作用的影響：a) 不同TENG旋轉速率下的電流、電壓曲線；b) CO釋放速率和平均能量與TENG旋轉速率的關系；c) 電能向化學能的轉換效率（η_ele-chem）與TENG旋轉速率的關系。反應條件：電離距離0.8 mm；CO₂流速10.0 mL/min；常溫常壓。

圖3 電離距離對CO₂分解作用的影響：a) CO釋放速率和平均能量與電離距離的關系；b) 電能向化學能的轉換效率（η_ele-chem）與電離距離的關系；c) 電離距離為0.8 mm時，反應時間300 min以內的η_ele-chem變化；d) 電離距離為0.8 mm時，反應時間300 min內的CO選擇性（反應條件：TENG旋轉速率180 rpm；CO₂流速10.0 mL/min；常溫常壓）；e) η_ele-chem與SEI（能量輸入與反應氣體的摩爾比）的關系；f) CO選擇性與η_ele-chem的關系。

圖4 摩擦電等離子體驅動CO₂還原的機理：a) CO₂在等離子體中的四種可能的分解路徑；b) 電離距離為0.2和0.8 mm時摩擦電等離子體的光譜圖；c) 演變時間6 ns、電離距離0.8 mm條件下中垂線的平均電子能量（E_e）和電子密度（n_e）；d) 振動激發分解路徑示意圖，CO_2(v)和 CO_2(v*)代表不同振動激發強度，CO_2(v*)更強。

四、【成果啟示】

文中提出了一種通過機械能驅動的雙功能、多脈沖、流動摩擦電等離子體還原CO₂的系統，該系統可在常溫常壓條件下運行，實現機械能的收集并將其轉換成化學能。該系統對波動的機械能和流動的CO₂氣體具有很好的兼容性。文中提供的策略既能解決了分散機械能儲存的問題，又能減少全球碳排放，緩解溫室氣體對環境的危害。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202201633