Nature子刊：液相陽極工藝策略助力CO2RR，實現48%的總碳效率

景行 1年前 (2022-06-18) 2922瀏覽

01【導讀】

將二氧化碳（CO2）電化學還原為多碳產品 (C2+)是減少CO2凈排放量的有前景的方法，為獲得有價值的化學品和燃料提供了途徑，對于實現碳中和和碳達峰具有重要意義。目前，最好的二氧化碳還原（CO2RR）流通池系統和零間隙膜電極組件 (MEA) 系統可實現 70% 的C2+法拉第效率 (FE)以及超過1?A?cm?2（在流通池系統中）和100?mA?cm?2（在MEA中）的局部電流密度。就工業應用而言，這些生產力水平引起了產業界的關注和廣泛的研究興趣。

然而，與下游CO2分離相關的主要能源和經濟損失仍然是一個挑戰。回收CO2的成本特別高，在中性和堿性介質 CO2到C2+電解槽，分別需要25%和70%的總能量輸入。另一方面，目前的CO2RR催化劑在高堿性局部條件（pH>12）下運行，以促進陰極C2+的生成。然而，形成碳酸鹽的副反應（CO2+OH-?→?CO32-或HCO3-）在堿性條件下是有利的，消耗了注入的大部分CO2。雖然在膜電極組件電池中使用中性電解質（例如 KHCO3）操作可減輕CO2損失。然而，大量的輸入CO2（比轉化為C2+的部分多約 3 倍）以碳酸鹽/碳酸氫鹽的形式穿過陰離子交換膜 (AEM) 到達陽極，與陽極反應產生的質子結合并轉化回二氧化碳。在陽極側，交叉CO2與通過析氧反應 (OER) 產生的O2結合產生 60-80% CO2和 20-40% O2的氣體混合物。這種混合物不能直接循環到陰極，因為氧還原將在陰極占主導地位。因此，需要在陽極下游分離CO2，每生產一噸乙烯會增加50-100?GJ的能源損失，其能源成本高于石化乙烯生產的能源消耗。

02【成果掠影】

近日，加拿大多倫多大學Edward H. Sargent和David Sinton等人將CO2RR與葡萄糖氧化反應 (GOR) 結合起來，并展示了液相陽極工藝策略。作者證明使用該工藝可以通過簡便的氣液分離回收交叉的CO2，而無需額外的能量輸入：陽極尾氣可以與新鮮的CO2原料一起直接送入陰極輸入。與最先進的單級CO2-to-C2+裝置相比，這種系統表現出1.9?V的低全電池電壓和48%的總碳效率，可實現262 GJ/噸乙烯，能源強度降低46%。在中性和堿性電解質中，該策略與當今最高效的電解槽和CO2催化劑兼容，可發揮最佳功能。

相關研究成果以“Eliminating the need for anodic gas separation in CO2 electroreduction systems via liquid-to-liquid anodic upgrading”為題發表在Nature Communications上。

03【核心創新點】

  1. 作者將CO2RR與中性介質中的全液體陽極反應配對，在可再生化學品和燃料的電合成中實現了高碳效率和低能量輸入。實施這一策略的關鍵是將陰極和陽極上的催化劑質量負載配對，以最大限度地提高 CO2RR產物選擇性并同時最大限度地降低陽極OER選擇性。穿過陽極的CO2從陽極下游回收，純度>99%；
  2. 通過將CO2回流到上游陰極，該策略實現了高達75%的CO2轉化率。該組合系統在100?mA?cm-2的電流密度下實現了1.90?V的低全電池電勢，并且C2+產物的穩定電合成時間超過80?h，同時保持了45%的高CO2轉化率。考慮到總電力和下游分離能源成本，這種方法實現了每生產一噸乙烯的總能源強度為 262?GJ，比以前的CO2RR電解槽低約46%。這項工作為CO2RR電解提供了一條高碳效率途徑。

04【數據概覽】

圖一、全液體陽極可實現二氧化碳回收和低能耗乙烯? 2022 The Authors

圖二、MEA電解槽催化劑的電子顯微鏡表征? 2022 The Authors

圖三、CO2RR-GOR 電解系統的性能 陰極和陽極上的質量負載為Cu：0.5?mg?cm-2和Pt：2?mg?cm-2? 2022 The Authors

圖四、CO2RR-GOR 系統在50°C低CO2可用性下的性能 陰極和陽極上的質量負載為Cu：0.5?mg?cm-2和Pt：2?mg?cm-2? 2022 The Authors

作者簡介

Edward H. Sargent教授是材料學和光子學領域世界著名科學家。因其在可溶液相處理的半導體太陽能電池和光探測器研究中所做出的貢獻，當選Fellow of the AAAS; 因其在膠體量子點光電子器件研究中所作出的貢獻，當選Fellow of the IEEE；因其在利用量子限域材料制備全光譜太陽能電池和超靈敏光探測器研究中所做出的貢獻，當選加拿大工程院院士。他在Nature和Science等國際頂級期刊發表論文多篇，目前已獲引用超過68,000次，其中有超過100篇論文的引用次數超過100次。Edward H.Sargent教授現任多倫多大學副校長職位，主要負責國際合作。基于其獨特的研究工作和開發的技術，他成立了InVisage Technologies（Apple Inc）和Xagenic兩家科技公司，致力于紅外成像以及基因檢測。

文獻鏈接：Eliminating the need for anodic gas separation in CO2 electroreduction systems via liquid-to-liquid anodic upgrading. Nat. Commun. 2022, 13, 3070.

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